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sistemas de monitoração de turbinas hidrocinéticas

1. na parte traseira da caixa de engrenagens Para ambas imagens o eixo horizontal indica a frequ ncia em ciclos por minuto e o eixo vertical apresenta a acelera o em g sendo g 9 8 m s Nos gr ficos os valores de 39 600 cpm 660 Hz que representa a frequ ncia do est gio de alta velocidade assim como seu segundo harm nico s o salientados pelas linhas vermelhas Comparando as duas imagens podemos perceber que nesses pontos a amplitude da frequ ncia monitorada maior para a Fig 5 14 o que representa um comportamento anormal como analisado por Sheng et al 2011 Isso demonstra que a falha percebida exatamente nas frequ ncias do est gio de alta velocidade As dez bandas laterais tamb m salientadas pelas linhas vermelhas na Fig 5 14 possuem car ter meramente ilustrativo para evidenciar a regi o do segundo harm nico do est gio de alta velocidade Al m das an lises espectrais apresentadas nas Figs 5 13 e 5 14 an lises tamb m foram realizadas a partir de dados obtidos de outros sensores e outros componentes defeituosos puderam ser identificados a partir dessa an lise global Ao final do per odo de testes depois de realizada a desmontagem das caixas multiplicadoras todas as falhas presentes na caixa de engrenagens puderam ser observadas Dessa forma constatou se se as falhas identificadas pela an lise vibracional realmente existiam e se existiam outras falhas n o previstas por esse tipo de an lise
2. es sobre o funcionamento dos v rios componentes constituintes do equipamento contudo sua interpreta o extremamente complicada exigindo t cnicas de tratamento de sinais que podem inviabilizar sua an lise A an lise no dom nio da frequ ncia trata do acompanhamento da vibra o como uma fun o da frequ ncia Como os sensores medem vibra o no dom nio do tempo necess rio que se converta os dados medidos para o dom nio da frequ ncia Normalmente isso feito por meio da aplica o de um algoritmo que utiliza a Transformada R pida de Fourier No dom nio da frequ ncia percebe se uma repetitividade nas medi es A constata o de mudan as na repetitividade dos padr es de frequ ncia indica um funcionamento alterado do componente o que pode causar uma falha ou queda de performance O acompanhamento desses padr es de frequ ncia faz com que a constata o de mudan as seja identificado de forma precoce permitindo uma tomada de decis o mais calma e precisa O dom nio da quefrencia recebe esse nome caracter stico por analisar o espectro de um espectro O nesse caso o espectro do logaritmo do espectro da pot ncia chamado tamb m de cepstrum Ele Ox utilizado para destacar periodicidades que possam ocorrer em um espectro Na Figura 3 12 apresentada uma compara o entre os dom nios do tempo frequ ncia e quefrencia 28 0 4 o 0 2 D 2 oj E 0 2 0 4 O 001 002 003 004 005 00
3. feita de modo comparativo O padr o de vibra o medido pelos sensores comparado com um padr o de refer ncia Essa compara o pode ser baseada na evolu o hist rica da m quina a partir de um instante tomado como refer ncia ou por compara o com m quinas semelhantes Para a turbina hidrocin tica os dois m todos de compara o podem ser utilizados O primeiro pela raz o de que a turbina ir apresentar um hist rico de vibra o que poder ser usado como padr o de refer ncia O segundo por a turbina poder se basear em componentes semelhantes das turbinas e licas e hidr ulicas que funcionem nas mesmas faixas de opera o que a turbina hidrocin tica O instante de refer ncia comumente escolhido ap s o amaciamento de uma m quina nova ou ap s um per odo em que a m quina tiver passado por uma manuten o Esse padr o de refer ncia deve ser revisto ao longo da vida da m quina j que toda interven o pode alterar a din mica do equipamento Captar os sinais provenientes das vibra es n o suficiente Esses sinais devem ser analisados por meio de t cnicas de processamento de sinais vibrat rios com o intuito de extrair informa es que ir o indicar a condi o do equipamento monitorado Fa Dentro da instrumenta o b sica para a medi o da vibra o o transdutor apenas um dos instrumentos que comp em o conjunto de medi o Segundo Adyles 2004 o conjunto geralmente composto por u
4. o do seu eixo e frequ ncias de rota o dos eixos 32 Mancais deslizamento Problemas acoplamentos de em Quando existe atrito provocam uma resposta ressonante de toda a estrutura na forma de frequ ncias espalhadas por todo o espectro com faixas largas como um ru do Predomin ncia no plano axial de medi o Com folga excessiva aparecem sub harm nicas da rota o do eixo entre 40 a 60 da frequ ncia de rota o do eixo Com o avan o da folga esses frequ ncias passam a ser de 1x 2x 3x at 10x ou maiores 2 x Rota o do eixos eventualmente mais m ltiplos dela D di metro primitivo do rolamento d di metro do elemento rolante f frequ ncia de rota o do rolamento 8 ngulo de contato entre a pista e o elemento rolante n n mero de elementos rolantes 33 3 2 2 MONITORAMENTO DE TEMPERATURA O monitoramento da temperatura de opera o um m todo menos complexo quando comparado analise de vibra o ou an lise de leo mas n o de menor import ncia Com o aux lio de pir metros termopares termografias e outros instrumentos de medi o pode se obter informa es acerca do funcionamento da m quina Sabe se que a temperatura de eixos e mancais por exemplo tendem a aumentar com um aumento da velocidade de rota o poss vel ent o estabelecer intervalos de temperatura esperados para uma situa o espec fic
5. PROJETO DE GRADUA O SISTEMAS DE MONITORA O DE TURBINAS HIDROCINETICAS Por Jo o Marcos Ribeiro de Santa Ana Matheus Zegatti e Silva Bras lia 01 de Dezembro de 2014 UNIVERSIDADE DE BRASILIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MEC NICA UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mec nica PROJETO DE GRADUA O SISTEMAS DE MONITORA O DE TURBINAS HIDROCINETICAS POR Jo o Marcos Ribeiro de Santa Ana Matheus Zegatti e Silva Relat rio submetido como requisito para obten o do grau de Engenheiro Mec nico Banca Examinadora Prof Alberto C G C Diniz UnB ENM Orientador Prof Aline Souza de Paula UnB ENM Prof Taygoara Felamingo de Oliveira UnB ENM Bras lia 01 de Dezembro de 2014 RESUMO Neste trabalho proposto um sistema de monitora o para o conjunto gerador da Turbina Hidrocin tica HTUC 01 que vem sendo desenvolvida pela equipe do Projeto Tucunar uma parceria entre a Universidade de Bras lia UnB a Eletronorte e outras universidades O sistema de monitora o visa permitir avalia es de performance do conjunto gerador em funcionamento fazendo parte de um programa de manuten o preditiva tamb m conhecida como manuten o baseada na condi o MBC Considerando que a literatura sobre sistemas de monitora o de turbinas hidrocin ticas bastante limitada fez se um estudo dos sistemas usados em t
6. o ISO 7919 2009 24 rms 0 707 do valor de pico m dia 0 637 do valor de pico Figura 3 10 M todos de an lise pelo n vel global de vibra o O m todo de manuten o pela observa o dos n veis globais de vibra o um processo perfeitamente adequado para uma vasta gama de problemas de vibra o de m quinas e equipamentos e bastante confi vel pois permite que provid ncias sejam tomadas muito antes de se atingir uma fase perigosa ou mesmo catastr fica Al m disso esse o processo menos oneroso que pode ser estabelecido 3 2 1 2 AN LISE PELO ESPECTRO DAS VIBRA ES A an lise pelo n vel global das vibra es explicada no item anterior um procedimento excelente para evitar situa es cr ticas de vibra es No entanto n o permite um diagn stico preciso de qual seria a avaria que est provocando o acr scimo de severidade ou seja nos informa apenas que existe um problema mas n o o identifica Nestas circunst ncias se torna necess ria uma inspe o geral envolvendo uma desmontagem da m quina para se identificar o problema e proceder aos reparos Uma solu o n o intrusiva para o problema da identifica o do defeito que provoca o aumento de severidade pode ser obtida a partir da observa o de que as vibra es de uma m quina ou equipamento qualquer s o constitu das por um conjunto de vibra es de v rias frequ ncias cada uma delas originada por um determinado componente A
7. MECAB L Desenvolvimento de um Prot tipo de Sistema Especialista para Apoio Manuten o de Turbocompressores Centr fugos de G s Natural Disserta o Mestrado em Engenharia Mec nica Programa de P s Gradua o em Engenharia Mec nica UFSC Florian polis SC 2007 Minist rio de Minas e Energia Eletrobr s Plano Nacional de Energia El trica 1993 2015 Texto Digitado Minist rio de Minas e Energia Potencial Hidrel trico Brasileiro 2010 Brasil 3f Texto digitado PAPASALOUROS Dimitrios et al Health Monitoring of a NEG MICON NM48 750 Wind Turbine Blades with Acoustic Emission 30th European Conference on Acoustic Emission Testing amp 7th International Conference on Acoustic Emission University of Granada Espanha Set 2012 Projeto Tucunar Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Bras lia maio 2014 95 PROJETO TUCUNAR Primeiro Relat rio Parcial do Projeto Tucunar Aproveitamento de Energia Hidrocin tica em guas Vertidas e Turbinadas Relat rio de andamento do projeto organizado por Ant nio C P Brasil Jr e Andr Mesquita UnB Eletronorte Bras lia DF 2012 PRUFTECHNIK Sensors cables and acesssories Catalog Cat logo de Monitoramento da Condi o Edi o 02 2014 N LIT 01 700 EN RAISUTIS R et al The review of non destructive testing techniques suitable for inspection of the wind turbine blades Ultrasound Intitute Kaunas University
8. WATERPOWER XIII Buffalo New York USA Julho 2003 9f 96 TONACO R P Metodologia de Desenvolvimento de Base de Conhecimento Aplicada Manuten o Baseada em Condi o de Usinas Hidrel tricas Bras lia DF Brasil 2008 WIGGELINKHUIZEN E et al Assessment of Condition Monitoring Techniques for Offshore Wind Farms Jounal of Solar Energy Engineering Agosto 2008 Vol 130 9f WISZNIA R Condition Monitoring of Offshore Wind Turbines Stockholm 2013 42f Disserta o de Mestrado KTH School of Industrial Engineering and Management Energy Technology EG1 2013 017 Division of Heat and Power Technology ALTERIMA GERADORES Dispon vel em http www alterima com br Turbinas Hidr E lulicas Acesso em 06 de outubro de 2014 BATHTUB CURVE Dispon vel em http www statemaster com encyclopedia Bathtub Curve Acesso em 13 set 2014 CLEAN ENERGY ACTION PROJECT Strangford Narrows SeaGen Tidal Power Plant Tidal Stream Hydrokinetic MHK Turbine Generation Dispon vel em lt http www cleanenergyactionproject com CleanEnergy ActionProject Hydropower Case Studies fil es Strangeford o20Narrows 20SeaGen 20Tidal 20Power 20Plant pdf gt Acesso em 01 jun 2014 ExpoVerde de adamantina Energia E lica Dispon vel em lt http www adamantina sp gov br jsfsite expoVerde eolica html gt Acesso em 01 jun 2014 Extens metros El tricos Dispon vel em lt http www demar eel usp br eletronica aulas Extensometro
9. a MBC definida como trabalhos de manuten o iniciados como resultado do conhecimento da condi o de um item por meio de uma rotina ou por verifica es constantes Nesse m todo a manuten o feita de acordo com a necessidade ou seja de acordo com a condi o apresentada pela pe a Sabe se que cada pe a apresenta um comportamento individual podendo falhar antes ou depois do esperado Essas rotinas de verifica es visam evitar a necessidade da manuten o corretiva causada por falhas inesperadas e manter os componentes em funcionamento at que eles apresentem sinais de que devam ser substitu dos j que s o essas rotinas que dizem quais s o as condi es de funcionamento dos componentes Chama se de Sistema de Monitoramento de Condi o SMC o conjunto de rotinas respons vel por monitorar os diversos componentes de uma m quina As informa es sobre vida dadas pelo fabricante passam agora a ser acess rios e n o mais fator determinante para a manuten o Com os tr s tipos de manuten o explicitados a MBC foi a adotada nesse projeto na tentativa de aumentar o m ximo poss vel a disponibilidade das turbinas hidrocin ticas desenvolvidas A Tabela 2 1 mostra um comparativo entre os tipos de manuten o analisados Percebe se que de fato a MBC ou manuten o preditiva permite que a m quina fique o menor tempo poss vel em per odo de inatividade Tabela 2 1 Tipos de manuten o e suas carac
10. es com o intuito de medir as deforma es naquela rea monitorada Apesar de serem confi veis e possu rem um baixo custo Yang 2013 ressalta que os extens metros el tricos podem ser utilizados apenas em testes realizados em laborat rio j para a utiliza o em turbinas que estejam em opera o nos parques e licos sua utiliza o n o recomendada por n o resistir a condi es clim ticas mais severas Segundo Hyers et al 2006 Yang 2013 e Raisutis 2008 as vantagens ao se utilizar o extens metro ptico de rede de Bragg est o em este ser insens vel a interfer ncia magn tica ou rel mpagos possuir melhor resist ncia fadiga e melhor estabilidade do que os extens metros el tricos Apesar de apresentarem grandes vantagens em rela o aos outros tipos de monitoramento os autores Borum et al 2006 Bent 2002 Tchakoua et 66 al 2014 Hyers et al 2006 e Soerensen et al 2002 avaliam que os extens metros pticos de rede Bragg ainda s o fr geis e invi veis no que diz respeito ao custo mas tamb m ressaltam que os mesmo s o muito promissores e podem vir a ser bastante utilizados em um futuro pr ximo Fibra ptica n gt D n 1 LIIIIIII n 4 N cleo da Fibra Bm n Resposta Espectral i P P4 P4 sm p s a ap Input Transmitido 2 Refletido 2 Figura 5 20 Estrutura de um extens metro ptico de rede Bragg Perfil de ndice de refra o Resposta espect
11. geral Al m disso esse cap tulo introduz o conceito de sistemas SCADA para aquisi o de dados e controle de m quinas O cap tulo 5 apresenta os componentes e modo de opera o de turbinas e licas e bulbo mostrando em seguida os sistemas de monitora o utilizados nelas O cap tulo 6 come a fazendo um resumo dos componentes presentes na turbina hidrocin tica e depois faz uma proposta de sistema de monitora o desde sensores unidades de aquisi o de dados e software de monitora o Por fim no cap tulo 7 feita uma breve reflex o em que coment rios e conclus es s o feitos a respeito do trabalho realizado como um todo Al m disso propostas para poss veis trabalhos futuros tamb m s o feitas nesse cap tulo 2 CONTEXTO GERAL DE MANUTEN O Em turbinas sejam elas e licas bulbo ou hidrocin ticas a manuten o dos componentes ser sempre parte essencial de seu funcionamento e ter uma participa o importante nos custos Em turbinas e licas offshore de 750MW por exemplo para uma vida til de 20 anos os custos de opera o e manuten o O amp M representam de 25 a 30 do custo total de gera o de energia Wiggelinkhuizen et al 2008 Tirar uma turbina de opera o por um per odo n o previsto pode ser extremamente caro e por motivos diversos falhas nos equipamentos falhas na montagem lubrifica o inadequada etc alguns componentes podem falhar antes do tempo indicado no plan
12. o tivesse fundamentos s lidos que satisfizessem as teorias sobre manuten o em uso atualmente Os principais m todos de manuten o foram estudados mas o foco sempre esteve na manuten o preditiva ou monitora o baseada na condi o Ao estudar esse tipo de manuten o constatou se que v rias aplica es industriais que utilizam esse tipo de monitora o utilizam sistemas SCADA que s o sistemas de aquisi o e controle de dados Como as turbinas hidrocin ticas ainda n o s o largamente utilizadas a literatura sobre elas bastante escassa Por isso os sistemas de monitora o j empregados com sucesso em turbinas e licas e bulbo foram analisados para que a proposta feita para o sistema da turbina hidrocin tica fosse feita de forma an loga atentando se sempre s peculiaridades de cada tipo de turbina A confiabilidade dos componentes de turbinas e licas foi estudado para que se tivesse uma no o de quais componentes precisariam de maior aten o por parte do sistema de monitora o Os componentes classificados como mais cr ticos foram os que tinham maiores taxas de falha ou os que necessitavam de um grande tempo de inatividade para reparos quando apresentassem falhas Com o tipo de monitora o a ser realizada e os componentes que ser o monitorados definidos partiu se para as especifica es dos equipamentos necess rios para compor o sistema de monitora o como sensores equipamentos de aquisi o de sina
13. 9 Mancais 10 Distribuidor Distribuidor um conjunto de palhetas guias m veis que tem por finalidade regular a vaz o de gua na turbina 11 P s do Rotor Proporcionam torque e velocidade de rota o ao rotor da turbina que transforma a energia do escoamento da gua em trabalho mec nico A maioria das turbinas bulbo possuem p s m veis como as Kaplan O rotor dividido em p s cone ou ogiva e cubo 12 Cone ou Ogiva 13 Cubo 14 Tubo de Descarga As turbinas bulbo seguem o seguinte princ pio de funcionamento a gua entra pela tomada de gua a montante da usina hidrel trica que est num n vel mais elevado e levada atrav s de um conduto for ado at a entrada da turbina L a gua passa pelo pr distribuidor e pelo distribuidor que controlam o direcionamento e a vaz o volum trica fornecida turbina Para se aumentar a pot ncia as palhetas do distribuidor se abrem para diminuir a pot ncia elas se fecham Ap s passar por este mecanismo a gua chega ao rotor da turbina Por transfer ncia de quantidade de movimento parte da energia potencial da gua transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rota o Devido a isto a gua na sa da da turbina est a uma press o um pouco menor que a atmosf rica e bem menor do que a inicial Ap s passar pelo rotor um tubo chamado tubo de suc o ou descarga conduz a gua at a parte de jusante do rio no n vel mais baixo Alterim
14. 904 N m Normalmente Aberto Hidr ulico 110 mm 507 kg Figura 6 7 Freio hidr ulico Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Diniz et al 2014 74 6 1 8 GERADOR Este componente tem como fun o transformar energia mec nica de alta rota o vinda da caixa multiplicadora em energia el trica Informa es t cnicas a respeito do gerador podem ser consultadas na Tab 6 6 e na Fig 6 8 Figura 6 8 Gerador Fonseca e Ara jo 2013 Tabela 6 6 Especifica es do gerador Fonseca e Ara jo 2013 Grandeza Caracter stica Pot ncia Rota o Tens o el trica Corrente Frequ ncia Torque Nominal Efici ncia Massa estimada 6 1 9 NACELE Valor previsto 500 kW 500 rpm 400 V 780 A 60 Hz 10 kN m 95 6 2 380 kg Por estar submerso em gua o conjunto eletromec nico precisa estar resguardado em uma capsula herm tica livre de infiltra es O papel de evitar que gua penetre na capsula tarefa do selo mec nico mas dentro da nacele que a verifica o de uma poss vel infiltra o ocorrer Al m da infiltra o outro poss vel problema que j foi identificado por Fonseca amp Ara jo 2013 o da elevada temperatura no interior da c psula A Figura 6 9 exibe a configura o da nacele 75 6 Estrutura da Nacele Figura 6 9 Proposta conceitual para a nacele da turbina hidrocin tica Fonseca e Ara
15. M5A Medi o no dire o horizontal do eixo de sa da Ponto M5H 10 2 Power Spectrum Vrms m s To Provo P61 Ponto M5 A 1 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Frequency Hz Figura 3 11 Varia o do Espectro de Vibra o de um Redutor de Engrenagens em diversas situa es Adyles 2004 27 Apesar de n o ser necess rio fazer uma an lise espectral em toda rotina de inspe o hoje em dia os circuitos digitais e os medidores de vibra o permitem a obten o do espectro de vibra es de maneira muito r pida e em muitos casos em tempo real Fazer essa an lise em todas inspe es traz resultados ainda melhores e mais precisos j que torna poss vel o acompanhamento do crescimento de um defeito desde o seu surgimento ou seja antes mesmo de atingir n veis detectados como significativos pelo n vel de severidade Em contrapartida o volume de trabalho aumenta de forma significativa mas o uso de sistemas informatizados pode contribuir para facilitar o trabalho do operador Os sinais captados pelos sensores de vibra o podem ser analisados de tr s maneiras diferentes e An lise no dom nio do tempo e An lise espectral no dom nio da frequ ncia e An lise cepstral no dom nio da quefrencia A an lise no dom nio do tempo acompanha a vibra o do corpo em fun o do tempo que a vibra o medida pelos sensores O sinal no dom nio do tempo disponibiliza muitas informa
16. SBcp p s o os valores m dios da amplitude pico a pico obtidos para os transdutores A e B calculados com base em uma s rie de medi es efetuadas sequencialmente durante uma tomada de sinal M ximo valor pico a pico neste m todo o valor de aproximado pelo maior valor m dio obtido pelo sensor A ou B por meio da Stp pJmax m ximo Sa p p Se p p 4 23 Amplitude instant nea m xima considerando se que o sinal obtido simultaneamente no transdutor A e B a amplitude de deslocamento do eixo medida no plano de medi es pode ser avaliada pela eg 5 SCE V ISa Sp CO 5 Onde o valor Smax S Dlmax utilizado como o indicador de severidade de vibra o no eixo Este o m todo prefer vel para monitoramento por meio do crit rio da oscila o relativa do eixo no mancal A Figura 3 9 mostra os valores limites para cada n vel de severidade de vibra o em fun o da velocidade de rota o usando como crit rio a oscila o pico a pico do eixo J a Figura 3 10 ilustra os valores dos m todos descritos anteriormente para uma onda senoidal t pica Vibra o pico a pico pm 450 400 350 300 250 200 150 20 10 1 2 4 6 8 10 20 30 Velocidade de Rota o rpm Figura 3 9 Valores Recomendados para m ximo deslocamento relativo do eixo em fun o da velocidade de rota
17. SCADA para auxiliar rotinas de manuten o bastante promissor Contudo existem algumas dificuldades que precisam ser contornadas para que esses sistemas forne am informa es relevantes para a manuten o Segundo Yang et al 2012 duas dessas principais dificuldades s o dados SCADA normalmente s o valores m dios tirados a cada 10 minutos Desse modo as t cnicas de monitoramento de condi o an lise espectral por exemplo n o podem ser aplicadas dados SCADA s o coletados sob condi es operacionais variadas Isso torna dif cil a detec o de falhas incipientes a n o ser que a falha seja s ria e cause danos significativos a turbina Em outras palavras uma falha severa causa mudan as nos dados do SCADA mas mudan as nesses dados n o significam necessariamente a ocorr ncia de falhas Tentando contornar esses problemas Yang e Court 2012 propuseram uma nova metodologia para se analisar os dados do SCADA em turbinas e licas Nesse m todo a monitora o da condi o baseada no hist rico da performance da turbina sob um intervalo de condi es operacionais ao inv s de se basear nas respostas din micas instant neas Os dados coletados por sistemas SCADA em turbinas e licas variam bastante mas normalmente incluem e Pot ncia ativa de sa da e Pot ncia reativa e Fator de pot ncia e Corrente e voltagem no gerador e Velocidade de rota o dos eixos e Temperatura dos rolamentos da caixa multiplicadora
18. alas E a ala AR Ui ra da Uo a a a co ba ms CD ta da at capa 89 xi Siglas CBM MBC O amp M INPA MC MP SMC ISO ABNT CAD TRF AVAC R SCADA IHM CLPs UTRs NREL NI LISTA DE S MBOLOS Condition Based Maintenance Manuten o Baseada na Condi o Opera o e Manuten o Instituto Nacional de Pesquisa da Amaz nia Manuten o Corretiva Manuten o Preditiva Sistema de Monitoramento de Condi o International Organization for Standardization Associa o Brasileira de Normas T cnicas Desenho assistido por computador Transformada R pida de Fourier Aquecimento Ventila o Ar Condicionado e Refrigera o Supervisory Control and Data Acquisition Interface Homem M quina Controladores L gicos Program veis Unidades Terminais Remotas National Renewable Energy Laboratory National Instruments xii 1 INTRODU O A preocupa o mundial com a conserva o do meio ambiente cresce a cada dia Os diversos estudos que comprovam a grande influ ncia que a a o humana tem na degrada o do nosso planeta criam uma necessidade urgente de pol ticas de preserva o ambiental em todos os pa ses do mundo Invariavelmente qualquer discuss o sobre esses tipos de pol ticas tem de passar por uma avalia o das fontes de energia usadas por uma determinada popula o A redu o da depend ncia que muitos pa ses tem de usinas termel tricas crucial j que essas usinas utilizam a queima de combust veis f sse
19. an lise das vibra es observadas na m quina pode ser feita com a obten o do espectro de vibra o O espectro de um sinal de vibra o nada mais do que uma representa o gr fica de sua distribui o de amplitudes em fun o das frequ ncias que comp em o sinal na qual as frequ ncias s o marcadas nas abscissas escala linear ou logar tmica e a amplitude nas ordenadas A separa o dos v rios componentes nas diversas frequ ncias contidas no fen meno normalmente feita utilizando um m todo matem tico que a partir da descri o temporal do sinal transforma esse sinal para o dom nio da frequ ncia O m todo mais utilizado para fazer essa transforma o do sinal a Transformada R pida de Fourier TRF 25 O m todo da TRF incorporou agilidade e velocidade ao processo de obten o do espectro mas exige dos usu rios cuidados importantes de prepara o e ajuste das condi es de obten o do sinal das faixas que se deseja analisar e da resolu o em frequ ncia dentro dessas faixas Para que se defina a frequ ncia m xima que deve estar contida no espectro quantas frequ ncias o espectro deve conter e qual o intervalo de frequ ncia que deve existir entre uma frequ ncia e a subsequente necess rio que se fa a uma an lise detalhada do equipamento a ser monitorado na qual se procura identificar previamente quais as fontes de vibra o existentes devido ao seu funcionamento normal e quais as fontes de
20. antes da caixa multiplicadora sendo que na hidrocin tica ele estar posicionado entre o gerador e a caixa multiplicadora pa Multiplicador de velocidade J r Acoplamento el stico Sensores de vento Gerador el trico Sistema de freio a disco Torre de sustenta o Controle de giro T T E 1 1 z E l Sistema de controle HH a Da Sistema de freio aerodin mico Figura 5 4 Componentes de uma turbina e lica Centro Brasileiro De Energia F lica CBEE UFPE 2000 47 De acordo com Marcelino 2007 os componentes das turbinas e licas e suas descri es s o as seguintes e Nacele Compartimento que cont m a maioria dos dispositivos da turbina e lica Sua principal fun o proteger estes elementos da a o da natureza como chuva granizo tempestades dentre outros Varia de tamanho e material conforme o modelo da turbina podendo ser de metal ou fibra de vidro Existem modelos que o tamanho pode chegar ao de uma sala possibilitando o deslocamento de pessoas em seu interior e P s do Rotor Respons vel por capturar a energia dos ventos e levar at o cone do rotor As p s est o cada vez mais modernas devido a melhorias aerodin micas que s o constantemente empregadas usando tecnologias da avia o e Cone do Rotor Conecta as p s do rotor ao eixo da caixa de engrenagens A velocidade de rota o
21. correnteza mas o foco principal est em instalar uma dessas turbinas a jusante da usina hidrel trica de Tucuru no Rio Tocantins Figura 1 3 Prot tipo de Turbina Hidrocin tica desenvolvido pela UnB Tiago 2003 No mbito internacional estudos e projetos de parques de turbinas hidrocin ticas vem sendo desenvolvidos para implementa o de um parque em Anglesey Pa s de Gales como mostra a Fig 1 4 Em Strangford Lough na Irlanda do Norte o ltimo prot tipo constru do em larga escala est em opera o desde 2008 e consegue gerar 1 2 MW de energia utilizando energia proveniente das varia es das mar s Fig 1 5 Figura 1 4 Projeto de parque de turbinas hidrocin ticas a ser implementado em Anglesey Pa s de Gales Marine Current Turbines 2014 Figura 1 5 Turbina Hidrocin tica instalada em Strangford Lough Irlanda do Norte Marine Current Turbines 2014 1 1 OBJETIVO E METODOLOGIA Ao passo que o Projeto Tucunar vai se encaminhando para os seus ltimos est gios e tendo em vista que uma boa parte do projeto j est conclu da de extrema import ncia que se desenvolva um sistema de monitora o que garanta uma manuten o adequada e aumente a confiabilidade das turbinas hidrocin ticas Observando essa necessidade esse projeto de gradua o tem como objetivo apresentar um sistema de monitora o para a realiza o de manuten es preditivas nas turbinas hidrocin ticas ao mesm
22. das instala es realizadas em turbinas e licas apenas um desses sensores instalado No trabalho de Sheng et al 2011 o sistema de monitora o usado era baseado na monitora o de engrenagens rolamentos leos lubrificantes e parte el trica do conjunto eletromec nico Os m todos utilizados para as an lises das monitora es feitas foram an lise da assinatura vibracional an lise de leo e an lise da assinatura el trica Os resultados referentes a an lise da assinatura el trica de componentes defeituosos n o apresentaram altera es quando comparados a an lise de um componente saud vel e por esse motivo os autores n o comentaram esses resultados As Figs 5 11 e 5 12 mostram os tipos de falhas encontradas em uma das caixas multiplicadoras ap s a sua 57 desmontagem Essa caixa foi monitorada por esses m todos e as medi es e an lises feitas s o apresentadas na sequ ncia Os sintomas apresentados pela caixa multiplicadora em virtude das falhas observadas posteriormente foram vibra es elevadas aumento do n vel de ru do contamina o do leo superaquecimento e queda de performance do componente Caixa leo n o fixrado Press o da Caixa Fluido de trabalho fitrado 104 e e Filtro Online v lvula de a vio 25psi sy f Suc o A gt lt 1 EI L da Caixa D 4 Ki Suc o Offline Soum 10um Retorno d
23. de controle do sistema feita pelas UTRs CLPs A fun o da IHM restrita a escrever uma nova programa o l gica quando preciso e envi la para os controladores al m de monitorar os dados que s o enviados por esses controladores Por exemplo em uma turbina hidrocin tica uma CLP poderia controlar a angula o da turbina em rela o corrente de gua de forma a atingir uma angula o pr definida setpoint assim como feito em turbinas e licas A IHM poderia modificar esse setpoint al m de mandar alarmes avisos quando a opera o atinge condi es cr ticas pr determinadas 36 Figura 4 2 CLP da marca Allen Bradley modelo Micrologix 1000 Traduzido de Singh 2012 Normalmente a IHM apresenta as informa es para o operador de forma gr fica de modo a imitar o sistema real que est sendo controlado Um desenho esquem tico ou at mesmo uma fotografia da turbina hidrocin tica podem ser usados para mostrar o que est acontecendo nos diversos pontos de medi o Por exemplo as p s do rotor podem ser animadas de forma a girar mais r pido ou mais devagar de acordo com a velocidade medida pelos sensores Essas possibilidades facilitam bastante a interpreta o dos dados apresentados Uma das mais teis e importantes funcionalidades dos sistemas SCADA no que se refere a monitora o e manuten o a possibilidade de disparar alarmes De acordo com o funcionamento esperado das m quinas poss v
24. de lineariza o e seus sinais de sa da de 4 a 20 mA s o transmitidos unidade de aquisi o de dados 45 Para medir a vibra o do n cleo do estator usa se quatro veloc metros com 90 de separa o para medir vibra o radial Os sinais de sa da passam por uma caixa de processamento antes de serem mandados para a unidade de aquisi o de dados CS a EMENT P P me a VRI 3075 JUSANTE DOWNSTREAM 3 6 VE 3006 LEGENDA LEGENO ENTREFESRO NR GAP VIBRA O ABSOLUTA ABSOLUTE VIBRATION VIBRA O RELATNE RELATIVE VIBRATION FOLGA DA TURBIMA TURSINE CLEARANCE Se MONTANTE UPSTREAM d j JJSANTE DONNSTREAN VE 3003 VE 3004 VE 3007 VE 3008 Figura 5 3 Diagrama do sistema de monitora o da turbina bulbo T treault e Gomes 2011 Para deslocamento do eixo dois sensores de proximidade capacitivos s o utilizados com 90 de separa o em cada um dos dois mancais guia para medir deslocamento radial relativo Para o deslocamento axial usa se um sensor no mancal combinado e mancal de escora pr ximo ao gerador Sensores capacitivos de proximidade foram escolhidos pela sua imunidade a ru dos el tricos magnetismo residual corrente de eixo tipo de material acabamento superficial e por terem condicionadores de sinais embutido permitindo que os sensores se conectem diretamente com a unidade de aquisi o de dados Para medir a vibra o absoluta do mancal o gerador mancal combi
25. e 125 C Esse sensor precisa ser conectado a um m dulo de lineariza o LIN 361 71 5 50 tamb m da VibroSystM que tem como sa da um sinal de corrente el trica entre 4 e 20 mA Dois sensores de velocidade de vibra o v o monitorar a vibra o radial do n cleo do estator e dever o estar posicionados com 90 entre eles O sensor utilizado ser o VIB 5 736 da Pruftechnik que mede velocidade de vibra es RMS de at 20 mm s Sua resposta em frequ ncia vai de 2 Hz a 1kHz e a faixa de opera o de 30 a 80 C Um aceler metro dever ser colocado no mancal de entrada do gerador para medir a vibra o desse mancal O sensor ser o VIB 6 195 o mesmo utilizado para medir a vibra o em outros componentes j citados No mesmo mancal dever ser instalado o sensor de temperatura VIB 6 610 mesmo usado no mancal principal da turbina como especificado na se o 6 2 2 Desse modo os sensores a serem instalados no gerador s o e 1 medidor de pot ncia SICAM P 50 e 8 sensores de entreferro VM 6 1 e 2 sensores de velocidade de vibra o VIB 5 736 e 1 aceler metro VIB 6 195 e 1 sensor de temperatura VIB 6 610 6 2 5 NACELE Durante o desenvolvimento do trabalho de Fonseca e Ara jo 2013 os autores realizaram uma an lise t rmica no interior da nacele com e sem o uso de um sistema de ventila o e verificaram que a temperatura neste ambiente seria um fator preocupante caso n o fosse criado um sistema que retirasse
26. e Temperatura do leo de lubrifica o da caixa multiplicadora e Temperatura m dia da nacele Algumas correla es entre os dados captados por um sistema SCADA s o conhecidas e resumidas na Tab 4 1 38 Tabela 4 1 Correla es potenciais identificadas por sistema SCADA Yang et al 2012 Par metros SCADA Interpreta es de falhas Temperatura N vel de leo Velocidade do rotor Pot ncia no gerador Rolamento Vibra o da caixa multiplicadora Temperatura do leo Velocidade do rotor N vel de leo Press o de leo Caixa Multiplicadora Velocidade do gerador Pot ncia ativa do gerador Pot ncia reativa do gerador Fator de pot ncia Velocidade do vento Velocidade do rotor Pot ncia no gerador Velocidade do gerador Vibra es na caixa multiplicadora N vel de leo na caixa multiplicadora Incompatibilidade entre temperatura do rolamento e velocidade do rotor e incompatibilidade entre temperatura do rolamento e pot ncia no gerador indicam falha de rolamento N vel de leo ajuda a excluir problema de lubrifica o Incompatibilidade entre velocidade do rotor e vibra o da caixa e incompatibilidade entre velocidade do rotor e temperatura do leo indicam falha na caixa multiplicadora N vel e press o de leo indicam vazamento de leo Incompatibilidade entre velocidade do gerador e pot ncia ativa indica falha no gerador Incompatibilidade entre velocidade do gerado
27. entre o hub e a caixa multiplicadora Seguindo as orienta es feitas por T treault e Gomes 2011 neste mancal ser o instalados tr s aceler metros posicionados radialmente com 90 5 entre eles para que se monitore a vibra o absoluta radial e axial do mancal Figura 6 10 Se poss vel devem ser escolhidas as posi es 45 com a vertical ISO 7919 5 2005 O aceler metro proposto o VIB 6 195 da empresa Pruftechnik Esse sensor que pode ser visto na Fig 6 11 consegue medir vibra es de at 45 g entre 0 1 e 10000 Hz de frequ ncia em temperaturas variando de 30 C a 80 C Transdutor Figura 6 10 Montagem dos sensores ISO 7919 5 2005 77 Al m dos aceler metros deve haver tamb m dois sensores de proximidade para monitorar o deslocamento radial relativo do eixo Procurou se o uso de um sensor capacitivo de proximidade PCS 302 da empresa VibroSystM Este um sensor de n o contato capaz de medir deslocamentos de 0 3 a 2 3 mm entre O e 1000 Hz de frequ ncia e temperaturas de O a 60 C O sinal de sa da em corrente el trica de 4 a 20 mA sendo que a sensibilidade do sensor de 8 mA mm Al m dos sensores de proximidade ser necess rio o uso de um m dulo 8 312 da Pruftechnik para fazer a convers o do sinal Por ltimo um sensor de temperatura tamb m dever ser instalado nesse mancal O escolhido foi o VIB 6 610 da empresa Pruftechnik que mede temperaturas de O a 200 C Ser necess rio
28. es do selo mec nico Tabela 6 2 Caracter sticas do selo HJ477G EX da EagleBurgmann Fonseca e Ara jo 2013 Caracter sticas Modelo Cartucho Bipartido Tipo 85 Materiais faces FRIFE Carbeto de Sil cio An is veda o Viton padr o Aflas ou Fluoraz amp Partes met licas A o Inox 316 Press o m x bar 7 Temperatura C 10a 175 Di metro mm 300 Pre o unit rio CTEP 10 35 FR face rotativa FE face estacion ria e Figura 6 4 Selo bipartido Flex A Seal Segundo Relat rio Parcial do Projeto Tucunar Brasil et al 2013 71 6 1 3 MANCAL E ROLAMENTOS O conjunto eletromec nico ter apenas um mancal de rolamento em sua composi o O mancal de rolamento de rolos c nicos bipartido ser instalado entre o hub e a caixa multiplicadora dando sustenta o e suportando esfor os radiais devido ao carregamento do hub e p s e axiais provenientes do funcionamento da turbina O posicionamento do componente no conjunto pode ser visto na Fig 6 5 enquanto a Tab 6 3 resume as especifica es do mancal bipartido proposto por Fonseca e Ara jo 2013 Mancal Figura 6 5 Posicionamento do Mancal no conjunto eletromec nico Fonseca e Ara jo 2013 Tabela 6 3 Especifica es do mancal bipartido Fonseca e Ara jo 2013 Grandeza Caracter stica Valor previsto Di metro do munh o mm 300 Carga Radial Din mica N 196800 Carga Radial Est tica N 296 100 Massa estimada do
29. jo 2013 6 2SISTEMA DE MONITORAMENTO PROPOSTO PARA A TURBINA HIDROCIN TICA Esta se o define o conjunto de sensores que ser utilizado para monitorar a turbina hidrocin tica Foi mostrado neste trabalho que as configura es das turbinas e lica e bulbo s o bastante semelhantes hidrocin tica no que se refere aos conjuntos eletromec nicos que possuem Por este motivo a proposta de sistema de monitora o das turbinas hidrocin ticas feita nesta se o teve como base sistemas de monitoramento j empregados com sucesso em turbinas e licas e bulbo A instrumenta o necess ria est detalhada para cada componente da turbina com informa es sobre quantidade modelo posicionamento e faixas de opera o dos sensores Os cap tulos e se es antecedentes a esta fornecem as bases e justificativas necess rias para as propostas realizadas Pela grande experi ncia que a empresa Pruftechnik tem pela grande variedade de equipamentos e pela facilidade de acesso s especifica es de seus produtos as propostas feitas foram baseadas em produtos dessa empresa Apesar disso a empresa Pruftechnik n o disponibiliza todos os tipos de sensores necess rios para a completa monitora o da turbina hidrocin tica e por isso outros fornecedores e fabricantes foram propostos para alguns tipos de monitora o 76 6 2 1 ROTOR De acordo com Soeker et al 2006 e Krebber et al 2005 dentre as falhas que podem ocorrer em uma
30. m quinas montadas rigidamente at 300 kW e Classe HI M quinas motrizes grandes e outras m quinas grandes gt 75kW com massas rotativas montadas sobre funda es r gidas e pesadas e Classe IV M quinas do tipo da Classe III montadas sobre funda es relativamente flex veis por exemplo conjunto de turbogeradores A Tabela 3 2 classifica o n vel de severidade de vibra o das quatro classes de m quinas em fun o da velocidade eficaz de vibra o RMS identificada Tabela 3 2 Classifica o e Avalia o de M quinas por N veis de severidade de vibra o NBR 10082 CLASSIFICA AO E AVALIA O DAS M QUINAS POR N VEIS DE SEVERIDADE DE VIBRA O FAIXAS DE SEVERIDADE AVALIA O DA QUALIDADE PARA CLASSES DE VIBRA O DIFERENTES DE MAQUINAS VELOCIDADE NOS FAIXA LIMITES mm s CLASSE CLASSE CLASSE III CLASSE IV 0 28 0 28 A A 0 45 0 45 A A A A 0 71 0 71 A A A A 1 12 1 12 B A A A 1 8 1 8 B B A A 2 8 2 8 Cc B B A 45 4 5 C es B B 7d 7 1 D C C B 11 2 11 2 D D C C 18 18 D D D Cc 28 28 D D D D 45 45 D D D D 71 acima de 45 D D D D Outro crit rio para a an lise do n vel global de vibra o o Crit rio da Oscila o do Eixo Este crit rio utilizado para casos nos quais a velocidade eficaz de vibra o velocidade RMS pode n o ser adequada Em geral as m quinas avaliadas por este m todo possuem rotores pesados e ou um sistema de mancal eixo rotor relativamente flex vel em compar
31. mancal kg 125 6 1 4 EIXO DE ENTRADA DA CAIXA MULTIPLICADORA O eixo de entrada o eixo por onde transmitida a energia obtida nas p s e que tem como destino a caixa multiplicadora O eixo foi projetado para ser uma pe a nica de liga o entre o hub e a caixa multiplicadora Sua liga o com o hub poder ser feita por meio de uma flange eixo estriado ou chavetas mas para fins de ilustra o foi tomada a flange como op o Pelas caracter sticas obtidas no caderno de especifica es o eixo dever ter 300 mm de di metro ser confeccionado em a o SAE 4140 e estar sujeito a uma carga axial de 35 kN 72 6 1 5 CAIXA MULTIPLICADORA A caixa multiplicadora Fig 6 6 o componente que transforma a baixa rota o 25 rpm e alto torque do eixo de entrada em alta rota o 500 rpm e baixo torque para o eixo de sa da que ser ligado por meio de um acoplamento flex vel A caixa multiplicadora um conjunto que possui v rios componentes internos que merecem aten o como rolamentos eixos e engrenagens O fornecedor da caixa multiplicadora ainda n o foi definido pela equipe do Projeto Tucunar mas alguns poss veis fabricantes j foram indicados como a Renk Zanini e a TGM Figura 6 6 Exemplo de Modelo RPS TGM Transmiss es Fonseca e Ara jo 2013 6 1 6 ACOPLAMENTO O eixo de sa da da caixa multiplicadora ser ligado ao eixo de entrada do gerador por meio de um acoplamento flex vel As caracter
32. ncia de rota o 1 26 250 16 7 e eventualmente Problemas com o acoplamento 500 m ltiplos desse valor D di metro primitivo do rolamento d di metro do elemento rolante f frequ ncia de rota o do rolamento B ngulo de contato entre a pista e o elemento rolante n n mero de elementos rolantes O sensor proposto para realizar a monitora o da vibra o na caixa multiplicadora foi o aceler metro VIB 6 195 da fabricante Pruftechnik que dever ser instalado na dire o radial Uma representa o do posicionamento proposto para os aceler metros mostrado na Fig 6 12 A Tabela 6 8 indica quais componentes ser o monitorados Outro sensor que pode auxiliar na capta o de dados e informa es acerca da condi o dos elementos internos da caixa multiplicadora o sensor que monitora a condi o do leo lubrificante da caixa multiplicadora Segundo Sheng et al 2011 apenas um sensor de condi o de leo lubrificante suficiente para a monitora o online desse leo Prop e se utilizar o sistema de monitora o de leo VIB 6 411 SET WEARSCANNER da fabricante Pruftechnik Fig 6 13 Esse sistema de monitora o de leo identifica conta e avalia o tamanho das part culas ferrosas e n o ferrosas presentes no lubrificante Al m disso pode emitir alertas de acordo com os tamanhos observados que podem variar de 50 a 1000 um Por fim ele tamb m monitora a temperatura do leo na faixa de 20
33. no interior de uma c psula denominada bulbo que opera submersa O Rotor Kaplan o elemento rotativo da turbina onde se transforma a energia do escoamento da gua em trabalho mec nico Alterima 2011 Assim como na turbina hidrocin tica na tipo bulbo o conjunto eletromec nico fica completamente submerso em gua durante todo tempo de opera o e o escoamento do fluido se d de forma axial Al m disso elas possuem uma c psula herm tica que garante a estanqueidade do local onde fica o conjunto eletromec nico Essas s o as principais raz es para se estudar o sistema de monitoramento desse tipo de turbina neste trabalho O sistema de monitoramento estudado foi o aplicado nas turbinas do Complexo Hidrel trico do Rio Madeira A empresa de energia Furnas faz parte do cons rcio respons vel pela constru o desse complexo formado pela hidrel trica de Jirau e de Santo Ant nio Ele ser composto por 88 turbinas tipo bulbo cada uma capaz de produzir 72 MW de energia el trica A constru o est prevista para ser finalizada em dezembro de 2016 mas v rias turbinas j est o em funcionamento T treault e Gomes 2011 Quando entrarem em funcionamento as turbinas desse complexo se tornaram as tipo bulbo de maior capacidade instaladas no mundo superando as de Tadami no Jap o com 65 8 MW Revista Furnas 2005 5 1 1 CONFIGURA O DA TURBINA HIDR ULICA TIPO BULBO A unidade geradora tipo Bulbo composta por uma turbina h
34. o radial e outro para cada est gio da caixa multiplicadora sendo todos na dire o radial e dois aceler metros no gerador entrada e sa da dire o radial O posicionamento dos 12 sensores utilizados pela NREL pode ser observado na Fig 5 9 e a Tab 5 4 indica a posi o e a dire o de medi o de cada aceler metro mostrado 55 Dinam metro Turbina de Teste Motor do Dinam metro Eixo de Baixa Eixo de Alta Caixa de Ei t pE SkA Velocidade Velocidade Acoplamento i y Caixa Multiplicadora g emau a Pot ncia El trica 4 Pot ncia Mec nica 4 Sinais de Controle Gerador A 7 NA Figura 5 8 Diagrama da bancada de testes e configura o de monitora o utilizada pela NREL Traduzido de Sheng et al 2011 part io fd ua DSO 1 ANTIANT p e SE O A A Figura 5 9 Disposi o de aceler metros para MBC do conjunto eletromec nico de uma turbina e lica Traduzido de Sheng et al 2011 56 Tabela 5 4 Indica o do posicionamento dos sensores Traduzido de Sheng et al 2011 SENSOR LOCALIZA O AN1 Rolamento Principal Radial AN2 Rolamento Principal Axial AN3 Anel da Caixa Multiplicadora 6 horas AN4 Anel da Caixa Multiplicadora 12 horas AN5 Est gio de baixa velocidade da Caixa Multiplicadora Radial AN6 Est gio de velocidade intermedi ria da Caixa Multiplicadora Radial AN7 Est gio de a
35. os intervalos entre as inspe es Com essa previs o feita pode se programar a manuten o para quando a m quina ainda estiver no n vel C Em geral considera se que o n vel de alarme atingido quando h uma varia o de 3 dB aproximadamente 41 em rela o ao n vel anterior ou seja se X for o valor da severidade na inspe o atual e X for o valor obtido na inspe o anterior ent o se considerar alarme quando X 20log gt 3 1 10 X 3 O n vel de trip definido como o ponto em que se deve providenciar uma parada imediata para manuten o ou seja quando a severidade de vibra o atinge o n vel D A Figura 3 7 ilustra o diagrama t pico do monitoramento peri dico de um ponto de inspe o de uma m quina A regi o A corresponde fase de amaciamento imediatamente ap s montagem ou reparo A regi o B o per odo de funcionamento normal do equipamento Na regi o C decidida e realizada a interven o devido ao aumento excessivo da severidade A regi o D corresponde nova fase de monitoramento ap s a interven o A an lise dos n veis globais de vibra o pode ser feita por v rios m todos diferentes Um deles o crit rio da Velocidade Eficaz de Vibra o Velocidade RMS Root Mean Square que calculada para um sinal de velocidade de vibra o estacion rio qualquer pela f rmula Ves 5 h vat 2 Nesse crit rio o par metro a ser medido a velocidade
36. propor o da distens o no dispositivo O strain gauge de liga o met lica o mais utilizado sendo constitu do por um fio bem fino ou tiras met licas dispostas em um padr o de grade A Figura 5 19 mostra o esquema de um extens metro el trico Comprimento da base Comprimento Largura Largura da base do gage Base Terminais Frente Figura 5 19 Arranjo b sico de um extens metro el trico de resist ncia Escola de Engenharia de Lorena 2008 De acordo com a NI os extens metros pticos de rede Bragg atuam refletindo um comprimento de onda de luz que pode sofrer varia es em resposta s varia es de temperatura e ou deforma o Estes sensores s o constru dos usando a interfer ncia hologr fica ou uma m scara de fase para expor um pequeno peda o de fibra fotossens vel a uma distribui o peri dica de intensidade da luz O ndice de refra o da fibra permanentemente alterado de acordo com a intensidade da luz exposta A varia o resultante do ndice de refra o chamada de Fibra Bragg Esta fibra ptica guia a luz que n o refletida at uma central onde os est mulos captados ser o interpretados e analisados A Figura 5 20 ilustra este processo Ambos sensores v m sendo frequentemente testados nos ltimos anos em turbinas e licas De acordo com Soeker et al 2006 extens metros el tricos ou pticos s o instalados na estrutura da p em um determinado n mero de sec
37. sticas do acoplamento flex vel estipuladas no caderno de especifica es s o apresentadas na Tab 6 4 Poss veis fornecedores citados s o KTR Antares e Vulkan Tabela 6 4 Especifica es do acoplamento Fonseca e Ara jo 2013 Grandeza Caracter stica Valor previsto Torque Nominal m nimo 14 325 N m Comprimento 400 mm Di metro externo 370 mm Di metro interno 110 mm Massa estimada 290 kg 73 6 1 7 FREIO O freio atua como um componente de seguran a e controle da turbina Pode ser utilizado em casos de emerg ncia onde outros componentes possam ser comprometidos pelo mau funcionamento de um componente espec fico e em casos onde se queira apenas interromper o funcionamento da turbina Freios dos fornecedores TecTor e Vulkan foram apontados como op es no caderno de especifica es O freio deve ser aberto por molas possuindo um disco de freio de 800 mm com espessura de 30 mm Foram estimadas duas pastilhas com rea de 640 cm e um torque nominal de 11 904 N m Al m disso dever haver uma unidade hidr ulica acoplada A estrutura do freio e suas caracter sticas se encontram na Fig 6 7 e Tab 6 5 Tabela 6 5 Especifica es do freio hidr ulico Fonseca e Ara jo 2013 Grandeza Caracter stica Torque Nominal de Frenagem Sistema Acionamento Di metro interno Massa estimada para o sistema de freio A configura o do freio pode ser vista na Fig 6 7 Valor previsto 11
38. sua conex o com o multiplexador Pruftechnik 2014 88 Figura 6 20 Vibronet SignalMaster multiplexadores e sensores Pruftechnik 2014 88 Figura 6 21 Diagrama geral do sistema de monitora o da turbina hidrocin tica 91 LISTA DE TABELAS Tabela 2 1 Tipos de manuten o e suas caracter sticas Mar al e Susin 2005 8 Tabela 3 1 Faixas de severidade de vibra o NBR 10082 rr 21 Tabela 3 2 Classifica o e Avalia o de M quinas por N veis de severidade de vibra o NBR 10082 intima io abas ROMEO Rag DSO E SETE ADO Ros LU 6 al OS SSL gata Dado o US a e SO as 22 Tabela 3 3 Fontes de vibra o normais de uma m quina Adaptado de Adyles 2004 30 Tabela 3 4 Fontes de vibra o devidas a defeitos mais comuns Adaptado de Adyles 2004 31 Tabela 4 1 Correla es potenciais identificadas por sistema SCADA Yang et al 2012 39 Tabela 5 1 Taxa m dia de falha e inatividade anual em parques e licos Adaptado e traduzido de Tavher etal 2009 nest E reais is decida pede ae Red a ada de Lene de Ria nd E Sacada EA 50 Tabela 5 2 Componentes que apresentaram uma maior taxa de falha e um maior per odo de inatividade por falha Adaptado e traduzido de Tavner et al 2009 lili 51 Tabela 5 3 Prioridade de moni
39. todo ou parte do calor gerado no interior da nacele Por isso necess ria a instala o de um sensor que realize o monitoramento da temperatura no interior da nacele para n o deixar que a temperatura se eleve mais do que o permitido A temperatura identificada por Fonseca e Ara jo 2013 como sendo a m xima temperatura admiss vel no interior da turbina foi de 90 C Mas como uma das temperaturas de trabalho dos sensores selecionados de at 55 C a temperatura m xima que poder ser obtida dentro do bulbo ser de 55 C Fonseca e Ara jo 2013 tamb m identificaram que a maior temperatura ser medida logo acima da caixa multiplicadora Por isso o sensor de temperatura dever 84 ser instalado logo acima da caixa multiplicadora e no centro da nacele considerando se a vista da se o transversal Para realizar a monitora o da temperatura interna da nacele prop e se a utiliza o do transmissor de temperatura TTA 200 A do fabricante Sensym Fig 6 15 Sua faixa de opera o vai de O a 100 C com exatid o de 0 3 C e um tempo de resposta de 0 2 s Outro fator que deve ser verificado a monitora o da infiltra o de gua no interior da nacele Sabe se que a nacele estar imersa em gua durante todo o seu per odo de funcionamento e por isso existir o risco de infiltra es O sensor proposto para realizar a monitora o do n vel de gua no interior da nacele o transmissor de n vel tipo rada
40. turbina Pode ser tubular ou retificado com tamanhos variados devendo na maioria das vezes ser o mais alto poss vel para um melhor aproveitamento dos ventos 5 2 2 AN LISE DA CONFIABILIDADE EM TURBINAS E LICAS Nesta se o faz se uma avalia o da confiabilidade apresentada por turbinas e licas visando aplicar os resultados encontrados s turbinas hidrocin ticas Com essa an lise temos como objetivo poder determinar quais componentes possuem altas taxas de falha e quais geram maior tempo de inatividade devido a falhas Os componentes identificados necessitar o de um maior rigor na monitora o TAXAS M DIAS DE FALHA ANUAL POR TURBINA E PER ODOS DE INATIVIDADE Algumas pesquisas v m sendo feitas ao longo dos anos para medir a taxa de falhas m dia em diversos parques de turbinas e licas Os resultados diferem entre os relat rios por diversos motivos como tempo de coleta de dados quantidade de turbinas e licas por parque tamanhos das turbinas entre outros Mesmo assim os resultados passam informa es importantes acerca do tempo de inatividade apresentado devido a diferentes tipos de falhas e acerca das taxas de falha por ano das turbinas Em um levantamento realizado por Tavner et al 2009 dados de parques e licos foram coletados analisados e publicados em seis diferentes relat rios a saber Wissenschaftliches Mess und Evaluierungsprogramm WMEP Programa de estudo cient fico alem o que avaliou o fun
41. turbina um conjunto de sensores capaz de monitorar o estado dos principais elementos daquele componente foi proposto de tal forma que ao final do cap tulo o sistema estivesse completamente definido 6 1 CONFIGURA O DA TURBINA HIDROCIN TICA Ao decidir a configura o da turbina hidrocin tica Fonseca e Ara jo 2013 optaram pelo uso de uma turbina com caixa multiplicadora e tamb m que o hub seria acoplado diretamente ao eixo de entrada da caixa multiplicadora atrav s de uma flange A Figura 6 1 mostra os componentes internos presentes na turbina hidrocin tica como definido no caderno de especifica es do Projeto Tucunar 1 P s 6 Caixa Multiplicadora 2 Hub 7 Eixo de Sa da 3 Selo Mec nico 8 Acoplamento 4 Mancal 9 Freio 5 Eixo de entrada 10 Gerador Figura 6 1 Representa o dos componentes da Turbina Hidrocin tica Projeto Tucunar 2014 A estrutura completa da turbina hidrocin tica do Projeto Tucunar pode ser observada em vista explodida na Fig 6 2 Estruturas como o chassi e a nacele d o suporte e prote o aos componentes internos 68 Suporte do Freio Carenagem da Nacele Ea p D o o E gt W LCPEEEP TEIE Tucunar Figura 6 2 Vista explodida dos componentes da Turbina Hidrocin tica Projeto Tucunar 2014 Com a completa representa o da estrutura da turbina hidrocin tica pode se confirmar que os componentes que co
42. vel em lt http www inductiveautomation com what is scada gt Acesso em 15 jun 2014 YANG W 2013 Testing and Condition Monitoring of Composite Wind Turbine Blades Recent Advances in Composite Materials for Wind Turbines Blades Dr Brahim Attaf Ed ISBN 978 0 9889190 0 6 WAP AMSA Dispon vel em http www academicpub org amsa chapterInfo aspx 98
43. 1 60 Figura 5 15 Leituras do sensor de monitoramento da condi o de leo Sheng et al 2011 62 Figura 5 16 Leituras do sensor de monitoramento da condi o do leo Sheng et al 2011 63 vii Figura 5 177 An lises de amostras de leo Traduzido de Sheng et al 2011 63 Figura 5 18 Detec o de trinca por meio de tr s sensores piezoel tricos Risoe 2002 64 Figura 5 19 Arranjo b sico de um extens metro el trico de resist ncia Escola de Engenharia de Lorena 2008 aena neo AE aA aAa AA Arna Eria AE ARS aU A e DAAR AEO EAT agindo no AAAS EETA 66 Figura 5 20 Estrutura de um extens metro ptico de rede Bragg Perfil de ndice de refra o Resposta espectral Traduzido de Wikipedia Fibre Bragg gratting 2014 essere 67 Figura 6 1 Representa o dos componentes da Turbina Hidrocin tica Projeto Tucunar 2014 68 Figura 6 2 Vista explodida dos componentes da Turbina Hidrocin tica 69 Figura 6 3 Rotor da Turbina da unidade geradora HTUC 01 Projeto Tucunar 2014 70 Figura 6 4 Selo bipartido Flex A Seal Segundo Relat rio Parcial do Projeto Tucunar Brasil et al PLON 3 EATE T A E E EE LE NdOE a Las bo fia 71 Figura 6 5 Posicionamento do Mancal no conjunto eletromec nico Fonseca e Ara jo 2013 12 Figura 6 6 Exemplo de Modelo RPS TGM T
44. 12 SELOMEC NICO rar ai SC di O 71 6 1 3 MANCAL E ROLAMENTOS ssumesicsentitopasoritoletoresostmoth casal aidad E En ENEO E EEA 12 6 1 4 EIXO DE ENTRADA DA CAIXA MULTIPLICADORA eeeeeerrrerrereree 12 6 1 5 CAIXA MULTIPLICADORA ssis sata eiiie eE aT EE h 13 6 1 6 ACOPLAMENTO ass eticsa tias mito Ligo n Lasgo A E EE ass RE 13 EL FREIO SRD o RR RR RO RR DO RD ORNE PARDO RR 14 lS GERADOR ars ces testis dosrite tio cortar assaltar faso dedos RAES EEA KA ral dias cio 15 65140 NACEEE a scout EAR E pre E Safe ab da do due SETE aci ab cade Po DE baba dec oia 15 6 2 SISTEMA DE MONITORAMENTO PROPOSTO PARA A TURBINA HIDROCINETICA cos ria tai ai ea a Pi E a cd can 76 6 Dil ROTOR cora cado a ra E dp e ra dana 77 GO o MANC AI sf toe apta a a a a AD a a pi 77 623 CAIXA MULTIPLE ICADOR A forest n o io rca Cad Ra ANE 79 GM GERADOR se ni a A CR AE E 83 6 29 SNACELE So a a a DO AR a E 84 6 2 6 AQUISI O DE DADOS meet eeeemeeeeeeeemeeee remeter 87 6 2 7 LISTA DE EQUIPAMENTOS uai ed 89 7 COMENT RIOS ECONEUS O du confuer atas ade LESS e a fe 92 8 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS tremer eeeemeereeeeeemeereeeeeeeetes 94 LISTA DE FIGURAS Figura 1 1 Matriz de Oferta de Energia El trica Minist rio de Minas e Energia 2010 1 Figura 1 2 Potencial hidrel trico brasileiro por regi o Minist rio de Minas e Energia 2010 2 Figura 1 3 Prot tipo de Turbina Hidrocin tica desenvolvido pela
45. 5 w l Falhas l Ky p ea T l Constantes l gs desgaste EA sf a l ss e l t 4 ai z l AREE EEEETETTTEEES Figura 5 1 Comportamento da curva de falha de equipamentos e maquinas e lica ao longo de sua vida Traduzido de U S Army document Verifica se que no per odo inicial de funcionamento a taxa de falhas nas turbinas e licas alta influenciada pelas falhas prematuras Isso se deve ao fato de que a opera o da turbina ainda est em um per odo de ajustes inicial ou seja as condi es ideais de funcionamento ainda n o foram encontradas Com a passar do tempo esses ajustes s o efetuados e falhas iniciais s o corrigidas Ap s esse momento de falhas iniciais a m quina passa por um per odo onde as falhas s o aproximadamente constantes e se devem a falhas normais de opera o de qualquer m quina Nos ltimos anos a curva apresenta um comportamento crescente devido ao desgaste excessivo dos componentes que podem estar chegando ao fim de sua vida til o que acaba por gerar um aumento na quantidade de falhas nos conjuntos da turbina Com esse conhecimento acerca do per odo em que as turbinas e licas falham podemos tomar medidas para tentar alterar o comportamento dessa curva nas turbinas hidrocin ticas concentrando esfor os para deix la o mais horizontal poss vel e mais rente ao eixo do tempo Dessa forma estar amos evitando falhas nos est gios inicial e final e diminuindo a taxa de falha por tur
46. 6 007 008 009 0 1 Time s 50 A 2 0 z S 50 100 Eo A A E T S a E a Frequence O 0002 0 004 0006 0 008 0 01 0 012 0 014 0 016 0 018 0 02 Quefrency s Figura 3 12 Dom nio do tempo frequ ncia e quefrencia UCL 2007 A seguir est o listadas algumas das diversas falhas que podem ser detectadas por meio de uma an lise vibracional e Rolamentos deteriorados e Engrenagens defeituosas e Acoplamentos desalinhados e Rotores desbalanceados e Eixos deformados e Lubrifica o deficiente e Folgas excessivas e Problemas aerodin micos ou hidr ulicos e Desbalanceamento de rotores de motores el trico Lembra se ainda que segundo Adyles 2004 as causas mais comuns de vibra es em m quinas s o devidas ao desalinhamento e desbalanceamento alcan ando um total de 80 dos problemas de uma m quina Para a identifica o dessas falhas em uma an lise espectral necess rio avaliar em que faixa de frequ ncia as vibra es do componente que se deseja monitorar est o inseridas Para isso define se as 29 fontes de vibra o normais de uma m quina e as faixas de frequ ncia correspondentes Al m das fontes de vibra o normais necess rio que se identifique as faixas de frequ ncia de poss veis defeitos que a m quina possa apresentar Os sensores de vibra o devem operar em toda faixa de frequ ncia identificada Segundo Adyles 2004 Fontes de vibra o normais de uma m quina p
47. A Quando o monitoramento online da condi o do leo indicar um n vel cr tico para um de seus par metros e a an lise vibracional n o conseguir identificar a falha amostras de leo poder o ser retiradas para an lise em laborat rio Entretanto a coleta de leo tem que ser evitada sempre que poss vel para que a turbina n o seja constantemente tirada de opera o A coleta de leo deve ser sempre planejada para coincidir com per odos de manuten o da turbina aproveitando o tempo de parada j previsto Complementando o sistema proposto ainda a instala o de 2 sensores de temperatura VIB 6 610 da fabricante Pruftechnik para a monitora o da temperatura dos mancais e 2 sensores indutivos de rota o VIB 6 620 SET do fabricante Pruftechnik para a medi o da rota o dos eixos Sendo um par para o mancal de entrada e outro para o mancal de sa da da caixa multiplicadora O sensor de temperatura atua em uma faixa de O a 200 C enquanto o sensor indutivo de rota o atua em uma faixa de rota o de O a 30 000 rpm e em uma temperatura operacional de 25 a 100 C O par pode ser observado na Fig 6 14 D gt 10mm N VIB 6 620 SET VIB 6 620 VIB 6 621 Figura 6 14 Sensores VIB 6 610 a esquerda e VIB 6 620 SET a direita Pruftechnik 2014 Como visto na se o sobre a MBC Online a fun o dos sensores de temperatura neste caso a de identificar problemas que causem o superaquecimento dos mancais
48. A Tabela 5 5 apresenta o resultado da avalia o 59 7 2 2010 6 20 02 PM Speed 1802 053 cpm gP 0 20 0 19 0 18 0 16 0 15 0 14 0 13 0 12 0 11 0 10 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 Intermediate Drive Gear 88T 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 650 000 70 000 90 000 100 000 110 000 120 000 cpm GC cear iSS ACC high dass 0 477 e Harmonic 39651 25 cpm 0 0641 Emgie cu Figura 5 13 Resultado referente a caixa multiplicadora saud vel S Sheng et al 2011 9 16 2010 5 22 32 PM Speed 1802 867 cpm gP 0 20 0 19 Planet gear o h q Intermediate Drive Gear 88T 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 PTS Lida a da pelada Lual do od bit Li ds O AE a Lda 2 val a da o 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000 90 000 100 000 110 000 120 000 cpm CE Sidebands 1800 cpm 0 1555 Single cursor 70512 500 cpm 0 0541 Gear ISS ACC high class 0 383 J Figura 5 14 Resultado referente a caixa multiplicadora danificada Sheng et al 2011 60 Tabela 5 5 Resultado de falhas identificadas na monitora o realizada por meio da an lise vibracional Sheng et al 2011 Dano Localiza o ds identificado Pinh o e Engrenagem Engrenagens do est gio de alta velocidade da Caixa Multiplicadora Ee Rolos e Anel interno Rolamento do est gio de alta velocidade da Caixa Mul
49. BC Offline curva s lida e MBC Online curva pontilhada Traduzido de Wiggelinkhuizen 2008 14 3 2 1 AN LISE DA ASSINATURA VIBRACIONAL Vibra es est o presentes em todas as m quinas com componentes rotativos sendo que cada uma apresenta suas caracter sticas particulares A faixa de frequ ncias e amplitudes de vibra es a serem monitoradas devem ser definidas em projeto e s o afetadas pela qualidade de pe as e condi es mec nicas atuais do equipamento Segundo Adyles 2004 a estrutura de uma m quina ao ser excitada por esfor os din micos responde com sinais vibrat rios cuja frequ ncia uma combina o das suas frequ ncias naturais e das frequ ncias dos esfor os que a excitam A vibra o medida em algum ponto da m quina ser a composi o das respostas vibrat rias da estrutura da m quina que est sujeita a esfor os de diferentes frequ ncias naquele ponto A deteriora o de um equipamento ou a degrada o de seu funcionamento gera mudan as no padr o de vibra o da m quina O que normalmente se constata nesses casos o aumento da amplitude de vibra o O acompanhamento da vibra o da m quina permite identificar o surgimento de novos esfor os din micos ou o aumento abrupto da amplitude de resposta A partir dessa identifica o pode se fazer uma an lise da degrada o do equipamento importante salientar que qualquer diagn stico sobre a m quina usando an lise vibracional
50. EER TENS ETE EERS 23 Figura 3 9 Valores Recomendados para m ximo deslocamento relativo do eixo em fun o da velocidade de rota o ISO 77919 2009 eee eeeeeereereeare arara nerraaarena 24 Figura 3 10 M todos de an lise pelo n vel global de vibra o 25 Figura 3 11 Varia o do Espectro de Vibra o de um Redutor de Engrenagens em diversas situa es NANTES ADORA ata a a O a a E E 27 Figura 3 12 Dom nio do tempo frequ ncia e quefrencia UCL 2007 29 vi Figura 4 1 Componentes presentes no Sistema de Monitora o da Condi o Traduzido de Inductive Auman honon SER DAR OD RPE ARNS E ADD D a UR ARARAS 35 Figura 4 2 CLP da marca Allen Bradley modelo Micrologix 1000 Traduzido de Singh 2012 37 Figura 5 1 Comportamento da curva de falha de equipamentos e maquinas e lica ao longo de sua vida Traduzido de U S Army document erre eeereererrcerer arara nereaaneena 41 Figura 5 2 Configura o da turbina Bulbo Real et al 2013 43 Figura 5 3 Diagrama do sistema de monitora o da turbina bulbo T treault e Gomes 2011 46 Figura 5 4 Componentes de uma turbina e lica Centro Brasileiro De Energia E lica CBEE UFPE ADIO O D E E E daRE Reg paca Lhs da RUE N AEE 47 Figura 5 5 Taxa de falha em componentes da turbina e lica Traduzido de Tavner et al 2009 52 Figura 5 6 T
51. Este superaquecimento pode ser ocasionado por uma m lubrifica o que gera falhas nos componentes dos mancais e ou eixos por 82 exemplo Da mesma forma a monitora o cont nua da temperatura pode identificar se o mancal est trabalhando dentro de sua faixa de opera o normal A monitora o cont nua da velocidade de rota o ajudar na avalia o da performance e permitir identificar com precis o as frequ ncias de rota o dos componentes Por consequ ncia a identifica o das frequ ncias de falha ser mais f cil e a an lise da assinatura vibracional ser mais precisa Por fim o sistema de monitoramento da condi o proposto para a caixa multiplicadora composto por 4 aceler metros VIB 6 195 e 1 sensor de monitoramento da condi o do leo VIB 6 411 SET WEARSCANNER e An lise offline do leo atrav s dos laborat rios SGS SEMEC Preditiva e 2 sensores de temperatura VIB 6 610 e 2 sensores indutivos de rota o VIB 6 620 OBS importante salientar que muitas caixas multiplicadoras dispon veis no mercado j disp em de um sistema de monitora o pr prio Caso seja escolhida uma caixa multiplicadora com um sistema j embutido deve se entrar em contato com o fornecedor e analisar junto ao mesmo se o sistema de monitora o proposto por eles cobre as poss veis falhas que o sistema proposto neste trabalho cobre Caso isso n o ocorra deve se por meio desse trabalho complementar o conju
52. TION FOR WIND TURBINES Electrical Engineering Theses and Dissertations Paper 46 2012 94 HAMEED Z Condition monitoring and fault detection of wind turbines and related algorithms A review ELSEVIER Maio 2007 39f HAMEED Z AHN S H CHO Y M Practical aspects of a condition monitoring system for a wind turbine with emphasis on its design system architecture testing and installation ELSEVIER dez 2009 HYERS R W et al Condition Monitoring and prognosis of utility scale wind turbines Estados Unidos da America 17 f 2006 JAYASWAL P WADHWANI A K MULCHANDANL K B Machine fault signature analysis International Journal of Rotating Machinery Vol 2008 2008 10f KREBBER K et al Fiber Bragg grating sensors for monitoring of wind turbine blades Alemanha 4f 2005 KUSIAK A LI W The prediction and diagnosis of wind turbine faults ELSEVIER jun 2010 LARSEN G C HANSEN A M e KRISTENSEN O J D Identification of Damage to Wind Turbine Blades by Modal Parameter Estimation Risg R 1334 EN Abr 2002 MARCELINO R Aquisi o de dados e monitoramento remoto aplicado a ind stria metal mec nica Aerogeradores Porto Alegre RS 2007 76f Disserta o Mestrado em Engenharia de Minas Metal rgica e de Materiais PPGEM Escola de Engenharia Universidade Fedreal do Rio Grande do Sul M RQUEZ F P G et al Condition Monitoring of Wind Turbines Techniques and methods ELSEVIER abr 2012
53. UnB Tiago 2003 3 Figura 1 4 Projeto de parque de turbinas hidrocin ticas a ser implementado em Anglesey Pa s de Gales Marine Current Turbines 2014 ariana area reatar 3 Figura 1 5 Turbina Hidrocin tica instalada em Strangford Lough Irlanda do Norte Marine Current Turbines 2014 sis ie Sirena ese E esgeni Saias AT Saes ass ganga le Casa DITA Saes as seta isa TUSD 4 Figura 2 1 Tipos de Manuten o Adaptado de Simei e reereerreeraaeea 6 Figura 3 1 Os tr s passos da MBC Mecab 2007 ir eeeeeeanereneraeea 9 Figura 3 2 MBC Offline curva s lida e MBC Online curva pontilhada Traduzido de Waigeselinkhuizen 2008 rriren ii i epi E aa ca ENTE I Nani Ione A E E a 14 Figura 3 3 Instrumental b sico de medi o de vibra es Adyles 2004 16 Figura 3 4 Curva de resposta caracter stica do aceler metro Sequeira 2005 16 Figura 3 5 Corte de um aceler metro piezoel trico Almeida 2008 18 Figura 3 6 Diagrama representativo de blocos do amplificador Adyles 2004 18 Figura 3 7 Diagrama t pico do monitoramento peri dico de um ponto de inspe o de uma m quina Eta PER DP PRO NTE UDN E IR 21 Figura 3 8 Esquema recomendado para montagem dos transdutores de deslocamento segundo a norma ISO 7919 1 Adyles 2004 roetine ni ee Ea EE Ea
54. a a menos adequada para aplica es em turbinas que precisam estar constantemente em funcionamento Por outro lado a Manuten o Preventiva MP tenta prever a ocorr ncia de falhas para que o operador possa se antecipar e fazer os reparos de forma planejada minimizando os custos que teria com a parada total da m quina Para isso ele utiliza informa es sobre vida til contidas nos cat logos dos fabricantes para que os reparos sejam feitos no momento indicado O ponto negativo da MP que ao dar informa es sobre a vida til de uma pe a os fabricantes muitas vezes baseiam se em testes feitos em condi es diferentes das encontradas nas m quinas analisadas Se as condi es que se tinham nos testes do fabricante eram mais severas do que as condi es atuais a pe a em quest o poderia ter uma vida til maior do que a indicada e ao usar a informa o do fabricante a pe a ser subutilizada gerando um gasto desnecess rio Caso contr rio se elas eram menos severas do que as atuais a pe a na verdade ter uma vida til menor do que a indicada e ao usar a informa o do fabricante correr se o risco de ter uma falha catastr fica prejudicando a seguran a e aumentando ainda mais os gastos Uma alternativa que surge para melhorar a efic cia em rela o aos m todos tradicionais j apresentados a Manuten o Preditiva tamb m conhecida como Manuten o Baseada na Condi o MBC Segundo Gupta 1996
55. a o com a sua estrutura Tem se como aplica o para esse m todo sistemas de grupos geradores hidr ulicos grupos geradores com turbinas a 22 vapor turbinas a g s e turbo compressores A medida de vibra o no eixo feita diretamente por meio da medi o da oscila o relativa eixo mancal sendo realizada para monitorar varia es do comportamento vibrat rio da m quina evolu o da folga radial do mancal e presen a de carga cin tica excessiva Segundo a norma ISO 7919 1 1996 o procedimento de medida utilizado para este tipo de monitora o concebido de forma que se tenham dois transdutores de proximidade fixados no componente a ser monitorado por exemplo o mancal A disposi o dos transdutores deve ser tal que os mesmos sejam montados em um mesmo plano a 90 um do outro no sentido de rota o do eixo como pode ser visto na Fig 3 8 Os sinais obtidos simultaneamente por esses transdutores s o analisados pelos m todos a seguir como descrito por Adyles 2004 s S IH Pr amplificador Sistema de L aquisi o a e tratamento Mancal s de sinais S Plano de medi o Pre amplificador me Figura 3 8 Esquema recomendado para montagem dos transdutores de deslocamento segundo a norma ISO 7919 1 Adyles 2004 Valor Resultante de Pico a Pico para este m todo o valor S p pymax pode ser aproximado pela eq 3 Sp pjmar Sap p t SB p p 6 Onde S p p e
56. a 2011 Mesmo a turbina tipo bulbo apresentando dimens es e capacidades maiores do que a hidrocin tica estudada alguns fatores como a completa imers o em gua e o funcionamento ininterrupto podem ser levados em considera o para a aplica o na turbina hidrocin tica 44 5 1 2 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMA TURBINA HIDR ULICA TIPO BULBO Segundo T treault e Gomes 2011 respons veis pelo projeto de monitora o das turbinas do Complexo Hidrel trico do Rio Madeira o espa o dentro do bulbo para montar a instrumenta o cabos caixas de prote o e sensores muito limitado e ainda compete com outros equipamentos necess rios ao funcionamento da turbina Do mesmo modo o acesso aos pontos de monitora o tamb m limitado Por isso um planejamento anterior muito importante Sempre que poss vel sensores e seus cabeamentos devem ser montados na turbina durante a fase de montagem antes da turbina ser colocada em opera o Contudo em turbinas que j est o em funcionamento isso n o poss vel Nesses casos nem sempre ser poss vel instalar a instrumenta o nas melhores localiza es Assim que a turbina fechada pressurizada e entra em opera o o acesso ao interior do bulbo para servi os de monitora o precisa ser reduzido ao m ximo Por ltimo os materiais utilizados no projeto e fabrica o dos instrumentos devem ser capazes de operar em temperaturas que podem exceder os 50 C Os con
57. a 80 C Tabela 6 8 Aceler metros utilizados no conjunto de monitora o da caixa multiplicadora Aceler metro Componente a ser medido 1 Mancal de entrada baixa rota o 25 rpm 2 Mancal de sa da alta rota o 500 rpm TEP 1 Primeiro est gio baixa velocidade Parte anterior da caixa multiplicadora TEP 2 Segundo est gio alta velocidade Parte posterior da caixa multiplicadora 80 Figura 6 12 Disposi o do conjunto de aceler metros utilizados para realizar a MBC da caixa multiplicadora Adaptado de Diniz et al 2014 Figura 6 13 Contador de part culas de leo VIB 6 411 SET WEARSCANNER Pruftchnik 2014 O sistema proposto pode ser conectado ao sistema de lubrifica owefrigera o da turbina hidrocin tica composto por uma bomba acoplada que realiza a circula o do leo como apresentado 81 no Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Projeto Tucunar 2014 Como citado na se o 5 1 3 este m todo por mais que identifique a ocorr ncia de falhas n o identifica de forma exata qual componente est propenso a falhar Por esse motivo junto ao m todo de monitoramento da condi o do leo prop e se a utiliza o de um m todo offline de an lise de leo em que amostras coletadas periodicamente 6 em 6 meses ser o analisadas em laborat rio Alguns laborat rios que fazem esse tipo de servi o no Brasil s o SGS SEMEC e PREDITIV
58. a caixa multiplicadora Sobre as an lises da condi o do leo lubrificante Sheng chegou a conclus o de que apenas um dos m todos de monitora o online suficiente para fins de identifica o de falhas desde que seja integrado com uma an lise peri dica de amostras desse leo an lise offline Sheng sugere que o monitoramento cont nuo seja feito e que uma amostra seja levada a laborat rio para uma an lise mais profunda assim que se perceba um aumento 63 no n vel de part culas ferrosas no leo Desse modo a raiz do problema pode ser identificada e o componente em falha pode ser reparado ou substitu do A partir do estudo do trabalho do NREL concluiu se que a monitora o da vibra o e a an lise de leo lubrificante dever o estar presentes na proposta feita para o sistema de monitora o da turbina hidrocin tica j que fornecem informa es importantes a respeito da sa de de v rios componentes identificados como priorit rios na Tab 5 3 ROTOR Para a monitora o do rotor da turbina diferentes trabalhos foram usados como base j que cada trabalho utilizava um m todo distinto para fazer a avalia o da sa de do rotor Segundo Raisutis et al 2008 importante salientar que nenhum dos m todos aqui listados capaz de monitorar as p s de forma a identificar 100 das falhas Por isso necess ria uma compara o entre os diversos m todos utilizados para que se avalie a melhor op o para
59. a de carregamento velocidade etc Caso a temperatura medida n o esteja no intervalo esperado para um determinado n vel de opera o existe a possiblidade de mau funcionamento de algum componente do sistema Da deve se buscar qual componente est prejudicado e proceder aos reparos necess rios O monitoramento da temperatura pode ser feito como um todo conjunto ou por partes componentes do conjunto Dentre as falhas que podem ser detectadas atrav s do monitoramento da temperatura est o o desgaste estrutural em componentes do conjunto e ou a m lubrifica o de algum componente Esses falhas causam um aumento consider vel na temperatura de opera o que pode ser percebida principalmente em mancais 34 4 SISTEMA DE MONITORAMENTO DA CONDI O O sistema de monitoramento da condi o SMC constitu do basicamente de dois componentes os sensores que s o respons veis por medir as vari veis de interesse temperatura vibra es etc e converter essas medi es em sinais el tricos corrente ou voltagem e as unidades computacionais que tem as fun es de coletar processar armazenar e controlar aquelas vari veis A aquisi o de dados come a nos sensores que enviam um sinal el trico normalmente de 4 20mA ou O 10V para os Controladores L gicos Program veis CLPs ou Unidades Terminais Remotas UTRs Estas por sua vez processam o sinal recebido de acordo com uma l gica pr estabelecida e trans
60. alos entre eventos a um modelo de distribui o para an lises futuras Al m disso envolve tamb m a an lise dos dados de monitoramento da condi o A partir desses dados pode se construir um modelo matem tico que descreva o mecanismo subjacente da falha combinando se de forma apropriada os dados monitorados O modelo desenvolvido a base da tomada de decis o de manuten o do diagn stico e do progn stico Tonaco 2008 Com os sinais j processados compara se as medi es com valores espec ficos predefinidos e assim pode se fazer uma avalia o da sa de do equipamento utilizando tamb m os dados hist ricos daquele equipamento Essa avalia o auxilia a tomada de decis o de manuten o que a pr xima etapa dos tr s passos da MBC TOMADA DE DECIS O DE MANUTEN O A tomada de decis o o terceiro e ltimo passo do programa de MBC Essa fase composta por tr s est gios detec o do defeito estabelecimento de um diagn stico e estabelecimento de um progn stico A detec o do defeito consiste na observa o de que os valores medidos dos par metros de controle indicam uma evolu o mais acelerada que a decorrente da degrada o normal do equipamento Souza 2008 O diagn stico o resultado da an lise dos valores de acompanhamento determinando com base em modelos de desgaste e informa es anteriores sobre o equipamento a origem e a gravidade de seus poss veis defeitos Estabelecer u
61. ara as quais se espera encontrar amplitudes significativas associadas a suas frequ ncias s o as oriundas da movimenta o de suas pe as que por serem flex veis conterem desvios de medidas excentricidades desbalanceamentos residuais e ajustes dentro das toler ncias especificadas geram varia es de for as que se repetem ciclicamente com o seu funcionamento transformando se em fontes de excita o din mica c clica sobre a estrutura da m quina As frequ ncias de vibra o presentes devido a defeitos mais comuns devem ser obtidas ap s a defini o das frequ ncias de funcionamento normal Deve se definir quais seriam os poss veis defeitos apresentados quais seriam as frequ ncias associadas a esses defeitos e como essas frequ ncias iriam interferir no espectro esperado para o equipamento As frequ ncias de defeitos j foram objeto de v rios estudos e s o conhecidas A Tabela 3 3 mostra as fontes de vibra es normais de uma m quina e a Tab 3 4 apresenta as fontes de vibra o devido a defeitos mais comuns Tabela 3 3 Fontes de vibra o normais de uma m quina Adaptado de Adyles 2004 Fontes de vibra o normais de uma m quina Componente Observa o Frequ ncia Valor em giros por segundo da rota o dos eixos O n mero de frequ ncias ser igual ao n mero de eixos S o observadas devido pequenas flex es residuais dos eixos quando solicitados por for as radiais constantes como engrenag
62. atrelada a velocidade de rota o do rotor juntamente com a pot ncia de sa da do gerador pode gerar informa es acerca da performance da turbina Para a medi o da vaz o prop e se o uso do medidor de vaz o com doppler SL 3000 Argonaut SL do fabricante Sontek Fig 6 17 Este possui um alcance de 0 1 a 5 m trabalha em temperaturas de 5 a 60 C possui resolu o de 0 01 C e mede velocidades de O a 6 m s A instala o do medidor dever ser realizada na parte lateral do flutuador Figura 6 17 Medidor de vaz o SL 3000 Argonaut SL Sontek 2014 Por fim o seguinte sistema de monitora o da nacele da turbina hidrocin tica proposto e Transmissor de temperatura TTA 200 A e 1 Transmissor de n vel tipo radar sem contato PILOTREK WES WGS 140 14N DN 40 e 1 Medidor de vaz o SL 3000 Argonaut SL 86 6 2 6 AQUISI O DE DADOS As se es anteriores mostraram os sensores necess rios para monitorar os par metros desejados indicando os tipos e modelos de sensores Contudo os sensores n o s o suficientes para realizar a monitora o Al m deles s o necess rias unidades de aquisi o de dados que s o equipamentos nos quais os sensores s o conectados e as informa es por eles captadas ser o processadas Prop e se que se utilize o software de monitora o OMNITREND e a unidade de aquisi o Vibronet SignalMaster da empresa Pruftechnik Fig 6 18 que uma unidade de aquisi o de dados com m l
63. axa de falha e per odo de inatividade em componentes de turbinas e licas Traduzido de Tavner etal 2000 tis ticas eee AERE A EEAS E EEEE EE 52 Figura 5 7 Taxa m dia de falha em modelos da empresa LKW Per odo de 1993 2004 Traduzido de Tavneret al 2000 aieea a aco roda Di ana DPA a aen a ea AA A ATAS eei aaay 53 Figura 5 8 Diagrama da bancada de testes e configura o de monitora o utilizada pela NREL Traduzido de Sheng etal 201I iie iee ine ee e eae ee pane alva do ee iae doaram 56 Figura 5 9 Disposi o de aceler metros para MBC do conjunto eletromec nico de uma turbina e lica Traduzido de Sheng et al 2011 crer eeeeaarer acena neereanrena 56 Figura 5 10 Ilustra o de uma t pica monitora o cont nua em tempo real do leo lubrificante Traduzido de Sheng etal 201I mee ereen ae aa aa nada aa vn Gaa av parda n nt dn aaa 58 Figura 5 11 Falhas nas engrenagens a esquerda e na na pista interna de rolamentos a direita Sheng etal 201 iae aaeeea EEE LAS ES ERRO UA cas CNT UN ET as S SEE T casas Erg STO ada 58 Figura 5 12 Fratura no dente da engrenagem a esquerda e contamina o do leo lubrificante a direita Sheng etal 200 ar ie per eE aa e Tod RSS ASAS ASAS OEN Te T E ARCOS asa 59 Figura 5 13 Resultado referente a caixa multiplicadora saud vel S Sheng et al 2011 60 Figura 5 14 Resultado referente a caixa multiplicadora danificada Sheng et al 201
64. binas Consequentemente estar amos minimizando os gastos e as horas perdidas com a manuten o do conjunto Para alterar esse comportamento de falhas demasiadas no in cio da implanta o das turbinas podem ser tomadas medidas como a constru o de bancadas de testes para realiza o de testes em situa es de trabalho usual assim como em situa es extremas A manuten o baseada na condi o pode atuar como uma tima ferramenta nas tr s fases de vida das turbinas evidenciadas na Fig 5 1 exercendo um papel fundamental na preven o da ocorr ncia de falhas 41 5 1 TURBINAS HIDR ULICAS TIPO BULBO As turbinas hidr ulicas s o projetadas para transformar a energia de um fluxo de gua em pot ncia de eixo Estas s o divididas em quatro tipos principais Pelton Francis Kaplan Bulbo Cada um destes tipos adaptado para funcionar em usinas com uma determinada faixa de altura de queda Dos tipos citados a bulbo a que tem condi es de opera o mais semelhantes s da hidrocin tica estudada neste projeto Por esse motivo a bulbo foi escolhida para servir de base de compara o no que se refere a essas condi es As turbinas bulbo tem a grande vantagem de poderem ser instaladas em baix ssimas quedas e a fio d gua ou seja n o necessitam da forma o de grandes reservat rios o que reduz os impactos ambientais Elas s o caracterizadas por possu rem o conjunto turbina gerador de eixo horizontal instalado
65. carga Isolante Massa S smica Cristal Piezoel trico Protetor externo LESS SLSSLLLS LS SS Fuso de fixa o Figura 3 5 Corte de um aceler metro piezoel trico Almeida 2008 R estrado eras Je teto integrador Pr Filtro Ene ampliado 5 des isca amplificador deslocamento passa baixo Detetor a e RMS Ou Amplificador Indicador pico a pico Figura 3 6 Diagrama representativo de blocos do amplificador Adyles 2004 Segundo Adyles 2004 quanto aos pontos de medi o de vibra o deve se observar que a os mancais s o pontos obrigat rios de medidas b quando se fazem medidas nas carca as pontos flex veis devem ser evitados c em cada um dos pontos deve se estabelecer claramente as dire es de medida horizontal vertical ou axial d os pontos escolhidos devem ser perfeitamente acess veis marcados de maneira vis vel no pr prio equipamento monitorado e uma vez estabelecidos fixados As se es seguintes apresentam os m todos mais utilizados para analisar os sinais dos sensores e as faixas utilizadas pelos aceler metros para captar os sinais vibrat rios 18 3 2 1 1 AN LISE PELO N VEL GLOBAL DE VIBRA O Nesse tipo de an lise o sinal de resposta da estrutura s excita es din micas do funcionamento do equipamento gera um valor global de vibra o medido em pontos cr ticos da m quina Essa resposta representa uma medida do
66. cionamento de 1500 turbinas e licas com configura es distintas no per odo de 1989 2006 ao redor do mundo coletando informa es importantes acerca do mau funcionamento das turbinas da manuten o da produ o de energia entre outros dados Landwirtschaftskammer Schleswig Holstein LWK Estat sticas de falhas publicadas pela LWK tendo como refer ncia um parque e lico localizado em Schleswig Holstein Alemanha Nesse parque e lico foram coletados dados sobre as falhas ocorridas em 241 turbinas no per odo de 1993 2006 49 Windstats WSD e WSDK Publica o feita pela Windstats Newsletter onde dois grupos de turbinas um na Alemanha 1995 2004 com 4285 turbinas e outro na Dinamarca 1994 2003 com 904 turbinas foram monitorados coletando dados sobre o seu funcionamento Tuulivoiman Tuotantotilastot Vuosiraportti VTT Relat rio do centro de pesquisa t cnico da Finl ndia que realizou uma coleta de dados em 92 turbinas no per odo de 2000 2004 avaliando o desenvolvimento do desempenho nas turbinas existentes Driftuppf ljning av vindkraftverk rsrapport Elforsk Publica o anual realizada pela Elforsk avaliando as falhas e per odos de inatividades em grande parte das turbinas e licas da Su cia 1997 2004 com 723 turbinas A Tabela 5 1 mostra a taxa m dia de falhas por ano por turbina e o per odo de inatividade causado por essas falhas relatados nos relat rios citado
67. copia ptica A an lise do condi o do leo pode ser realizada tanto online por meio de contadores de part culas como offline por meio de an lises laboratoriais Na a an lise offline uma amostra de leo retirada e levada para uma an lise em laborat rio que ir identificar fragmentos ferrosos na amostra Por meio do tamanho e da quantidade de part culas soltas por um componente a an lise identifica se h desgaste anormal das pe as A amostra de leo pode ser retirada quando h necessidade de troca do mesmo ou por avalia es peri dicas sendo que esta ltima deve ser feita apenas quando estritamente necess rio para que n o paralise o funcionamento da m quina 3 2 MBC ONLINE Neste tipo de MBC o monitoramento feito constantemente e em tempo real por meio de sensores que continuamente enviam dados sobre a opera o das m quinas para uma central de processamento de sinais Qualquer altera o no funcionamento dessas m quinas detectado instantaneamente Contudo para que se tome qualquer atitude decis o de manuten o esses dados precisam ser processados analisados e interpretados para que se determine a a o mais adequada a ser tomada O conjunto de sensores num equipamento usado para monitorar seu desempenho e estado O acompanhamento dos sinais das suas tend ncias e das suas m dias podem indicar poss veis anomalias naquele conjunto Para a equipe de manuten o os sensores t m uma fun
68. da Esses dados dar o as primeiras informa es a respeito do funcionamento da turbina hidrocin tica e servir o de base para monitoramentos futuros Se n o for poss vel a compra dos sensores o aluguel dos mesmos pode ser realizado pela empresa PREDPONTA pois esta disp e da maioria dos sensores aqui listados al m de possuir servi os de an lise dos dados e Avaliar solu es completas vendidas no mercado por diferentes empresas e listar quais possuem maior compatibilidade com o sistema proposto nesse trabalho e Desenvolver uma rotina de an lise dos dados para o reconhecimento autom tico de padr es caso se escolha por n o utilizar empresas externas para realizar a an lise dos dados e a tomada de decis es 93 8 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS ADYLES Manuten o preditiva usando an lise de vibra es 1 ed Barueri SP Brasil Editora Manoele Ltda 2004 187f ALMEIDA Fabr cio C L Diagn stico autom tico de falhas em turbinas hidr ulicas de pequenas centrais hidroel tricas utilizando t cnicas preditivas de manuten o e redes neurais artificiais S o Paulo SP 2008 301f Disserta o Mestrado em Engenharia de Mec nica Mec nica dos S lidos Departamento de Engenharia Mec nica UNESP FEIS AMIRAT Y et al A brief status on condition monitoring and fault diagnosis in wind energy conversion systems ELSEVIER Jun 2009 BENT F S et al Fundamentals for remote structural health
69. de padr es 3 1 MBC OFFLINE Neste tipo de MBC o monitoramento feito atrav s da realiza o peri dica de inspe es nos componentes da m quina para que se tenha ci ncia do n vel de degrada o das pe as Nessas inspe es peri dicas a inspe o visual bastante utilizada juntamente com an lises de leo testes n o destrutivos radiografia ultrassom e outros De posse desses dados e com conhecimento sobre a velocidade de desenvolvimento das diversas falhas que podem ocorrer pode se estimar o tempo ideal para reparo da pe a A MBC offline pode ter seu plano de manuten o otimizado programando suas inspe es para quando poss vel coincidir com os per odos em que a m quina realizar sua manuten o peri dica 3 1 1 INSPE O VISUAL A inspe o visual apesar de n o utilizar equipamentos sofisticados e an lises apuradas um m todo de grande ajuda na descoberta de poss veis falhas Rachaduras e desgastes podem ser identificados e controlados por inspe es visuais quando n o est o em fases cr ticas Pinturas termogr ficas e sens veis ao calor podem ser utilizadas no monitoramento assim como lupas e microsc pios de baixa pot ncia A inspe o visual n o tem muita aplicabilidade nos componentes da turbina hidrocin tica j que estar o debaixo d gua e dentro da nacele Para que se realizasse uma inspe o visual seria necess rio desligar a turbina retir la da gua e desmontar os compon
70. de vibra o absoluta sobre as partes fixas da m quina preferencialmente os mancais Adyles 2004 Segundo Serridge e Licht 1987 este m todo fornece a descri o mais til dos n veis de vibra o Por estar relacionado a energia de vibra o o m todo identifica o potencial de dano das vibra es analisadas A norma NBR 10082 20 identifica 15 faixas de classifica o de acordo com as faixas de velocidade RMS Essas faixas s o apresentadas na Tab 3 1 que identifica faixas de severidade de vibra o para bandas de 10 a 1 000 Hz o 6 718 91 N11M2131415 161 1819 Ordem de inspe o Figura 3 7 Diagrama t pico do monitoramento peri dico de um ponto de inspe o de uma m quina Adyles 2004 Tabela 3 1 Faixas de severidade de vibra o NBR 10082 FAIXA DE VELOCIDADE RMS VALOR EFICAZ DA VELOCIDADE DE VIBRA O mm s FAIXA DE CLASSIFICA O ACIMA DE AT 0 11 0 071 0 112 0 18 0 112 0 18 0 28 0 180 0 28 0 45 0 28 0 45 0 71 0 45 0 71 1 12 0 71 1 12 1 8 1 12 1 80 2 8 1 8 2 8 45 2 8 4 5 74 4 5 74 2 TA 1 2 18 1 2 18 esyd 28 18 RA ad Ts 45 28 ap E vao n 45 e A OSE E 21 De acordo com Adyles 2004 as m quinas s o classificadas em quatro classes e Classe I M quinas pequenas com acionamento por motor el trico diretamente acoplado pot ncia m xima de 15 kW e Classe II M quinas m dias do tipo da Classe I com pot ncia maior que 15 kW at 75 kW Motores ou
71. dget project and having low maintenance requirements SUM RIO lo INTRODUCA Oeri AN IE E a A a 1 1 1 OBJETIVO E METODOLOGIA sssssssisiisissssssseeteiisesesssssteritieessssssssriritressnsnssrsrirrersnsss 4 2 CONTEXTO GERAL DE MANUTEN O remeter 6 3 MANUTEN O BASEADA NA CONDI O MBC eee 9 Sd MBCORFEINE Sense DA Da a dd Da an a ce DA di 11 FLI INSPEC O VISUA Da nnnnai ad E a R 11 312 ANALISE DE OLEO Us set se fe aner a aa a a a 12 33 MBE ONEINE surti e a a ac a T E 13 3 2 1 AN LISE DA ASSINATURA VIBRACIONAL ssssseseesieiiiiesssseee riris 15 3 22 MONITORAMENTO DE TEMPERATURA 34 4 SISTEMA DE MONITORAMENTO DA CONDI O 35 4 1 SISTEMAS SORA e ae o a DR DS E Rc 0d RR ren 36 5 MONITORAMENTO DE TURBINAS eee meme meme meeeeereeeeos 40 5 1 TURBINAS HIDR ULICAS TIPO BULBO eee meme eres 42 5 1 1 CONFIGURA O DA TURBINA HIDR ULICA TIPO BULBO 42 5 1 2 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMA TURBINA HIDR ULICA TIPO BUEBO vue e aA E ii e E AO E AA soros eine AA AEO a TA EE a eta 45 52 TURBINAS FOLIGAS cu rn ia ad teaa ei a a a 47 5 2 1 CONFIGURA O DE UMA TURBINA E LICA 47 5 22 AN LISE DA CONFIABILIDADE EM TURBINAS E LICAS 49 5 2 3 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMA TURBINA E LICA 55 6 TURBINA HIDROCINETICA ss cas AOS aaa Da 68 6 1 CONFIGURA O DA TURBINA HIDROCIN TICA eemeeeeeemeeeees 68 6
72. do neste caso o intervalo de maior concentra o das part culas de 0 1 a 10 um As part culas maiores atingem 100 um e Desgaste avan ado come a a aumentar a concentra o de part culas na faixa de 100 um e Desgaste catastr fico a maior concentra o de tamanhos de part culas est entre 100 e 1000 um defeito por atrito Para a identifica o do tamanho das part culas alguns m todos podem ser utilizados Dentre eles est o a ferrografia por leitura direta a espectometria de emiss o e a ferrografia anal tica A ferrografia por leitura direta feita com base na extra o de part culas contaminantes magnetiz veis contidas no lubrificante por meio de um campo magn tico O equipamento faz a distribui o de acordo com o tamanho das part culas j que quanto menores menor a dist ncia percorrida pela part cula dentro do campo magn tico 12 A espectometria de emiss o permite que a natureza e a concentra o das part culas sejam determinadas Essas determina es s o feitas por meio da faixa e intensidade de radia o luminosa emitida pela amostra quando submetida a excita o A ferrografia anal tica realiza um estudo profundo das part culas mas estas devem ter tamanho entre 1 e 250 um Por meio deste m todo um ferrograma constru do a partir da distribui o dos contaminantes em fun o do seu tamanho em uma chapa de vidro Para complementar a an lise utiliza se micros
73. do ao fato de que a monitora o de eixos e mancais s o as principais fontes de informa es sobre o estado din mico de v rios componentes Falhas em diversos elementos da turbina poder o ser avaliadas a partir de dados de vibra o medidos nos mancais Mesmo alguns componentes tendo apresentado baixo ou moderado grau de prioridade isso n o significa que esses n o necessitem de monitora o Como vimos nos cap tulos anteriores a monitora o baseada na condi o tem import ncia para todos os componentes e para o conjunto como um todo Sabendo como cada parte do conjunto se comporta pode se fazer melhores an lises e determinar causas e resultados de falhas com maior precis o 54 Portanto o estudo feito por Wisznia 2013 mostrou quais componentes deveriam ser priorizados no que se refere monitora o da condi o caso o sistema de monitora o fosse por exemplo limitado por um baixo or amento 5 2 3 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMA TURBINA E LICA Com os componentes da turbina e lica devidamente explicados e as suas confiabilidades avaliadas estudaram se sistemas de monitora o que j s o utilizados em turbinas e licas O objetivo desse estudo foi fornecer informa es sobre o tipo de monitora o feito nos diversos componentes para que a aplicabilidade destes nas turbinas hidrocin ticas pudesse ser avaliada Para a monitora o realizada na caixa multiplicadora foi usado como base um trabalho desen
74. e leo n o filtrado RETORNO Fixrado 34 0 24GPM N o Fixrado 0 026 GPM a reinou ca ade nara co An o na nen aa cn o dm ni on Filtro Offline g Voo ps i e iratrumerto de Fikragem otfine i am i A I AN 1 be YE AD lt Ie 1 1 i sta i r Fixro Sum S H i j 1 us 1 H Bomba v lvula Bypass 1 0 24 GPM Coletor de amostras i t EO UR DAS CR i 1 1 i K Desgaste Qualidade do leo e H i umidade I 1 Vermelha Fluido de Trabalho ss lc Verde Linhas de suc o N vellSO de impera e Umidade H 0 025 GPM 1 Azul Linhas de retorno Figura 5 10 Ilustra o de uma t pica monitora o cont nua em tempo real do leo lubrificante Traduzido de Sheng et al 2011 Figura 5 11 Falhas nas engrenagens a esquerda e na na pista interna de rolamentos a direita Sheng et al 2011 58 bro quinta Figura 5 12 Fratura no dente da engrenagem a esquerda e contamina o do leo lubrificante a direita Sheng et al 2011 ASSINATURA VIBRACIONAL As Figuras 5 13 e 5 14 exibem os resultados obtidos no teste de monitoramento das caixas multiplicadoras A Figura 5 13 exibe os dados obtidos para o conjunto saud vel j a Fig 5 14 apresenta resultados referentes ao conjunto que apresentou falhas As imagens apresentam os espectros de vibra es obtidos a partir dos dados captados pelo aceler metro do eixo de rota o intermedi ria
75. e de 95 a 98 Na tentativa de focar nos componentes que mais falham ou que produzem falhas mais danosas ao sistema Wisznia elaborou uma tabela de prioriza o da monitora o de componentes para as turbinas e licas Tab 5 3 identificando quais componentes necessitam de maior aten o por parte dos trabalhos de monitora o A Tabela 5 3 foi adaptada inserindo se apenas os componentes das turbinas hidrocin ticas Tabela 5 3 Prioridade de monitora o para componentes da Turbina E lica Adaptada e traduzida de Wisznia 2013 Componentes Inatividade Taxa de Falha anual Prioridade Freios Muito Baixa Moderada Baixa Eixo principal Rolamentos Alta Baixa Alta Caixa de Engrenagens i Muito Alta Moderada Muito Alta Transmiss o Gerador Muito Alta Moderada Muito Alta Controle Eletr nico Baixa Alta Moderada Rotor das p s Muito Alta Moderada Alta Dessa tabela importantes informa es foram obtidas O rotor das p s o gerador e a caixa de engrenagens transmiss o apresentaram alta necessidade de monitora o pois uma falha nesses componentes costuma levar muito tempo para ser corrigida e os reparos necess rios s o muito caros Por esses motivos a prioridade na monitora o desses elementos dada como alta Os eixos e rolamentos apesar de falharem menos e exigirem um per odo de inatividade menor que por exemplo o gerador e a caixa multiplicadora tiveram sua manuten o dada como muito alta Isso ocorreu devi
76. el que se programe situa es cr ticas limites de opera o Ao atingir esses limites o operador do sistema avisado por meio de alarmes que s o disparados no software mostrando uma mensagem pr definida sobre aquela situa o cr tica espec fica Esses avisos podem ser enviados at mesmo por SMS ou por email para o respons vel pela manuten o das m quinas Isso permite que o respons vel pelas m quinas esteja sempre a par dos acontecimentos e que o operador tome decis es r pidas assim que uma situa o ruim for detectada Sistemas SCADA modernos permitem que os dados sejam acessados de qualquer lugar do mundo gra as a aplica es web based Nesses casos o software n o precisa ser instalado em um computador central O operador pode acessar o sistema a partir de qualquer computador que esteja conectado rede de internet V rias empresas vendem softwares SCADA para diversas aplica es Os custos desses softwares muitas vezes s o bastante elevados e normalmente dependem da quantidade de sensores de ter ou n o 37 um servidor e da quantidade de usu rios autorizados a ter acesso aos dados Uma solu o alternativa a essas empresas o ScadaBR que um supervis rio completo disponibilizado em licen a Open Source software livre pela sua empresa desenvolvedora MCA Sistemas Por ser Open Source o ScadaBR permite que o usu rio use e customize o software de acordo com as suas necessidades O uso de sistemas
77. empresas tamb m se responsabilizam pelo treinamento de funcion rios ensinando os a operar o sistema da maneira correta Uma pesquisa realizada anualmente por Crabtree et al 2014 da Durham University aponta a disponibilidade de sistemas de monitora o para turbinas e licas apresentando os principais fabricantes e fornecedores de sensores e de sistemas de monitora o Os principais fabricantes com 90 atua o no mercado s o Bruel amp Kjaer Pruftechnik Gram amp Juhl SKF Windco Mita Teknik e VibroSystM Portanto essas empresas s o poss veis fornecedores de um sistema completo de monitora o que pode ser adaptado para ser usado nas turbinas hidrocin ticas A empresa VibroSystM tem uma forte atua o no mercado brasileiro fornecendo sistemas de monitora o para v rias usinas hidrel tricas Caso decida se por uma solu o pronta de uma dessas empresas a proposta feita nesse projeto servir como base de compara o para que se saibam os principais componentes que precisam ser monitorados e as faixas de opera o que precisam ser cobertas Nacele 1 Sensor de Temperatura 1 Sensor de N vel 1 Sensor de Vaz o Gerador 1 Aceler metro 8 Sensores de Entreferro 2 Sensores de Velocidade de Vibra o 1 Sensor de Temperatura 1 Medidor de Pot ncia Caixa Multiplicadora 4 Aceler metros 1 Contador de Part culas An lise Offline de Oleo 2 Sensores de Temperatu
78. ens Frequ ncia de giro dos eixos a de excentricidade e desbalanceamento residuais dos rotores volantes ou engrenagens montados sobre ele assim como sua pr pria excentricidade e desbalanceamento residual de fabrica o Frequ ncia de giro do eixo x o N de dentes da engrenagem Possui uma frequ ncia para cada par As frequ ncias NA a observadas s o devidas s deforma es dos dentes durante o Frequ ncia de engrenagens processo de engrenamento e desvios de forma desses dentes que fazem com que a for a transmitida n o seja constante e sim oscilante 30 Frequ ncias de passagem de p s Para bombas turbinas radias entre outros a frequ ncia determinada pelo N de p s x frequ ncia de giro do eixo ao qual ela est acoplada A frequ ncia induzida pela excita o din mica devida ao corte do fluxo radial pelas p s Para turbinas ou ventiladores de fluxo axial o n vel de energia dessa frequ ncia muito baixo e raramente localizada no espectro do equipamento em boas condi es Tabela 3 4 Fontes de vibra o devidas a defeitos mais comuns Adaptado de Adyles 2004 Fontes de vibra o devidas a defeitos mais comuns Defeito Observa o Frequ ncia Hz Desbalanceamento Vibra o bem determinada Componente predominante na dire o radial 1x Rota o do eixo Desalinhamento Componentes radial e axial O que a diferencia do d
79. entados por eles conferem ao Brasil um potencial hidrel trico enorme estimado em 234 4 mil MW Desse potencial apenas 34 explorado ou seja ainda existe uma boa margem para crescimento desse setor Fig 1 2 Norte P 97 3 GW 40 0 C I 10 9 GW 13 5 OPERA O 11 2 Nordeste CONSTRU O 3 4 P 25 0 GW 10 3 C I 10 9 GW 13 6 OPERA O 43 8 CONSTRU O 0 1 Centro Oeste P 35 2 GW 14 5 C I 11 1 GW 13 8 7 OPERA O 31 6 Sudeste CONSTRU O 1 3 P 44 0 GW 18 1 7 C I 24 6 GW 30 4 OPERA O 55 8 CONSTRU O 1 2 Legenda P potencial pop Total Brasil Sul C I capacidade instalada u P 243 4 GW P 41 9 GW 17 2 P e C I do Brasil C I 23 2 GW 28 7 Op amp Cons da Regi o eg jo OPERA O 55 3 CONSTRU O 3 2 Figura 1 2 Potencial hidrel trico brasileiro por regi o Minist rio de Minas e Energia 2010 Apesar de ser uma excelente matriz energ tica a constru o de uma usina hidrel trica de grande porte n o simples Muitas vezes grandes reas precisam ser alagadas para a constru o da represa e fam lias que moram nessas regi es precisam ser realocadas Da surge uma outra forma de explora o da energia hidr ulica que n o apresenta esses efeitos colaterais que a utiliza o de turbinas hidrocin ticas objeto de estudo deste projeto As turbinas hidrocin ticas s o instaladas no leito do rio e s o usadas para gerar energia el trica a par
80. entar no decorrer de sua vida Essa constata o pode ser observada na Fig 5 7 Pequeno porte M dio porte Grande porte Falha turbina ano 1 0 0 5 0 0 L o o o z sz f fe ia Safa a o co S o gem a Y pr SA ER s 8 8 og j8 EE 28 39 28 S gt 2 gt Ee gt gt S Ex 3 6 E Pg F g E E lt Tipos de Turbinas E licas Figura 5 7 Taxa m dia de falha em modelos da empresa LKW Per odo de 1993 2004 Traduzido de Tavner et al 2009 Outro fator importante identificado foi a rela o do n mero de falhas com a velocidade do vento De acordo com Tavner et al 2009 quanto maior for a velocidade do vento mais suscet vel ocorr ncia de falhas a turbina estar Desse modo pode se fazer uma analogia comparando a velocidade do vento com a velocidade das correntes as quais a turbina hidrocin tica estaria sujeita J que com o aumento da velocidade do vento temos um aumento das falhas esperado que ocorra o mesmo com o aumento da velocidade das correntes Dessa forma fica evidenciada a necessidade da monitora o da velocidade da corrente e fluxo de gua na turbina hidrocin tica 53 Wisznia 2013 prop e em seu trabalho um sistema de monitora o para turbinas e licas offshore O foco nesse tipo de turbina se deu devido ao fato dessas turbinas apresentarem valores de confiabilidade entre 65 a 90 enquanto as turbinas e licas onshore apresentam uma confiabilidad
81. entes para ent o realizar essa tarefa Devido ao tempo de inatividade esse m todo torna se invi vel para monitorar a condi o da turbina hidrocin tica 11 3 1 2 AN LISE DE LEO A an lise de leo consiste na monitora o da condi o do leo e tem como objetivo avaliar a sua condi o A monitora o de aspectos como tamanho dos fragmentos que se soltam dos componentes das m quinas temperatura e umidade entre outros permite que esse objetivos seja alcan ado Al m do monitoramento para avaliar a condi o do leo Adyles 2004 menciona que outro objetivo da monitora o do leo identificar o desgaste dos componentes lubrificados A an lise de leo pode ser realizada em partes do conjunto que necessitam de lubrifica o como a caixa multiplicadora O m todo consiste em medir a taxa de contamina o do leo seguida de uma an lise Essa contamina o do leo se d por meio do contato com as part culas provenientes do desgaste dos componentes A partir da an lise desse leo contaminado torna se poss vel identificar a presen a de um mau funcionamento e a sua origem O desgaste dos componentes lubrificados pode ser identificado pelo tamanho das part culas encontradas no leo Segundo Adyles 2004 os desgastes podem ser divididos da seguinte forma e Desgaste normal a distribui o granulom trica est mais entre 0 1 e 1 0 um As part culas maiores n o ultrapassam 10 um e Desgaste acentua
82. erador Sistema Hidr ulico Caixa de Engrenagens Figura 5 5 Taxa de falha em componentes da turbina e lica Traduzido de Tavner et al 2009 Sistema El trico Controle El trico Outros Sistema Hidr ulico Sistema de Orienta o Rotor Hub Freio mec nico Rotor das P s Caixa de engrenagens Gerador Transmiss o 0 25 0 2 Falha turbina ano Controle de Passo Freios pneum ticos Freios mec nicos Eixo principal Outros 6 8 10 12 Inatividade por falha dias Figura 5 6 Taxa de falha e per odo de inatividade em componentes de turbinas e licas Traduzido de Tavner et al 2009 Todas essas informa es se refletem nos dados encontrados por Tavner et al 2009 em que 75 das falhas totais s o respons veis por apenas 5 do per odo de inatividade da turbina Entende se 52 ent o que dentro desses 75 estejam as falhas referentes ao sistema de controle sensores e outros componentes que demandam um tempo de manuten o menor Os outros 25 correspondem a 95 do tempo de inatividade total de uma turbina e est o relacionados a falhas em caixas de engrenagens transmiss es sistemas de orienta o entre outros Ainda existem outros fatores que influenciam no aumento da ocorr ncia de falhas como o tamanho das turbinas e a capacidade de produ o de energia por exemplo Nas pesquisas realizadas em campo observou se que quanto maior a turbina maior ser o n mero de falhas que ela apres
83. esbalanceamento Componentes movidos pelo eixo podem aparecer com suas primeiras harm nicas 1x 2x ou 3x Rota o do eixo Atrito Vibra es decrescem com o tempo de uso amaciamento Corros o pode ser causadores de um dos vibra es devidas ao atrito Rotor Exc ntrico Predominantemente na dire o radial um tipo de desbalanceamento 1x Rota o do eixo Rotor de m quinas el tricas exc ntrico Predominantemente na dire o radial 1x RPM do eixo acompanhada de um combina o de sua segunda harm nica 2x a frequ ncia da rede el trica e muitas vezes sua terceira harm nica 2 xa frequ ncia da rede 31 Engrenagens exc ntricas A excentricidade provoca uma modula o do sinal da frequ ncia de engrenamento aparecendo no espectro como bandas laterais desta frequ ncia Engrenagens de dentes retos predomin ncia no plano radial e de dentes helicoidais no plano axial Frequ ncia de engrenamento N de dentes x Rota o do seu eixo Engrenagens pitting e quebrados com dentes Esta falha provoca uma excita o na estrutura sob a forma de impactos repetidos com a frequ ncia de rota o do eixo ao qual ela est acoplada A estrutura mec nica vibra em uma ou mais de suas frequ ncias de resson ncia As frequ ncias ressonantes se situam entre a frequ ncia de engrenamento N de dentes x Rota
84. estreita feita entre as popula es de turbinas e licas dos grupos LWK e Windstats Esta ltima foi separada em dois subgrupos WSD e WSDK Esses tr s grupos se localizam na Alemanha e Dinamarca e se diferenciam em n meros de turbinas por parque e lico tamanho idade e tecnologia aplicada aos componentes sendo que o grupo LWK representa as turbinas de uma gera o mais nova com mais tecnologia e de maior porte Pelas Tabela 5 2 e Figuras 5 5 e 5 6 pode se identificar que componentes relacionados ao sistema el trico s o os que mais falham e atingem um valor mediano de inatividade por falha se comparada a outros elementos da turbina e lica J elementos mec nicos ligados transmiss o a caixa de engrenagens e aos rotores s o os que deixam as turbinas inutiliz veis por mais tempo o que impossibilita a gera o de energia e eleva os custos de O amp M j que s o mais caros e complexos do que outros componentes das turbinas Sua confiabilidade mais elevada do que a do sistema el trico 51 ou seja s o menos suscet veis a falhas Mesmo assim devido ao tempo de inatividade que ocasiona o conjunto mec nico precisa ser bem monitorado 0 40 0 35 4 EWSD 1291 4285 WTs 030 ELWK D HERE 158 643 WTs 0 25 4 0 20 EWS DK 851 2345 WTs Taxa de Falha falha turbine ano Rede ou Sistema el trico Rotor ou P s Controle el trico Sistema de Orienta o G
85. et al 2011 quando analisado juntamente com a 61 an lise Offline do leo que ser vista logo a frente pode se concluir que os picos representam falhas nas engrenagens As Figuras 5 15 e 5 16 apresentam os resultados comentados sobre a an lise de leo A Figura 5 15 refere se a coleta de dados da caixa multiplicadora testada no parque e lico e a Fig 5 16 referente a mesma caixa multiplicadora por m testada na bancada de testes O eixo vertical apresenta ao mesmo tempo valores em partes por milh o ppm para o n mero total de part culas ferrosas graus Celsius para a temperatura do leo e da caixa e porcentagem para a umidade do leo A an lise Off line do leo foi feita em um laborat rio por meio de um microsc pio eletr nico de varredura A Figura 5 17 ilustra a composi o qu mica de elementos contidos no leo atrav s de resultados obtidos para a caixa multiplicadora saud vel Os valores listados na primeira coluna desta figura nos mostram limites de refer ncias baseados em dados hist ricos de turbinas e licas similares As colunas seguintes se referem a amostras de leos coletadas para a an lise sendo que na segunda coluna o leo estava novo De acordo com Sheng et al 2011 as amostras para an lise em laborat rio podem ser colhidas de 6 em 6 meses em caso de funcionamento normal Caso outros m todos de monitora o indiquem poss vel surgimento de falhas a coleta de leo pode ser feita e
86. evem ser considerados principalmente fatores como e Sensibilidade e Frequ ncia ou tempo de resposta e Compatibilidade com o ambiente e Precis o O amplificador mostrado na Fig 3 3 nada mais do que um condicionador de sinais que faz o condicionamento do sinal de sa da do transdutor e a compensa o de resist ncia e capacit ncia dos cabos J os filtros s o respons veis por isolar e analisar bandas de frequ ncia desej veis para o componente monitorado Muitas vezes amplificadores e filtros s o interligados em diferentes est gios como mostra a Fig 3 6 Por fim tem se os analisadores espectrais que s o equipamentos indispens veis na an lise de transientes ou quando se quer trabalhar no dom nio da frequ ncia Os analisadores possuem duas vers es b sicas onde a mais compacta j possui um sistema de filtros internamente e um sistema de aquisi o digital associado a um processamento num rico que lhe permite determinar a partir do sinal temporal de vibra o o espectro em frequ ncia instant neo do sinal e apresent lo em um display Normalmente os dados relativos ao sinal podem ser armazenados e transferidos para computadores digitais A an lise dos sinais realizada em microcomputadores s o processadas pelo algoritmo da TRF Transformada R pida de Fourier que ser melhor explicado nas se es seguintes al m de outros recursos de processamento de sinais 17 Cabo de sa da Parafuso de pr
87. formam um sistema de monitora o e avalia o da condi o de m quinas Entretanto ele oferece a possibilidade de integra o com um sistema SCADA por meio de comunica o Modbus M dulo de Temperatura VIB 8 310 Multiplexador de 9 canais VIB 8 306 M dulo de Temperatura VIB 8 310 e M dulo de Rota o VIB 8 313 M dulo de Corrente Voltagem VIB 8 312 Sensor de Vibra o Conex o Direta Figura 6 19 M dulos e sua conex o com o multiplexador Pruftechnik 2014 VIBRONET SignalMaster Multiplexador Figura 6 20 Vibronet SignalMaster multiplexadores e sensores Pruftechnik 2014 88 6 2 7 LISTA DE EQUIPAMENTOS Com os sensores e demais equipamentos necess rios para a monitora o da turbina j definidos foi feita uma tabela que resume as principais informa es dos equipamentos a serem utilizados Essas informa es se encontram na Tab 6 9 A Figura 6 21 ilustra a disposi o dos sensores em cada componente da turbina hidrocin tica Tabela 6 9 Lista de equipamentos e principais caracter sticas inserir o sensor de monitora o da Equipamento Fornecedor VIB 6 195 Pruftechnik VIB 6 620 SET Pruftechnik VIB 6 610 Pruftechnik TTA 200 A Sensym VIB 6 411 SET Pruftechnik VIB 5 736 Pruftechnik VM 6 1 VibroSystM PCS 302 VibroSystM a O a 30 000 rpm 25 a 100 C Condi o do leo corrente e volta
88. gem Temperatura Faixa Quantidade de Opera o Par metro de medi o 30 a 80 C Temperatura Nacele O a 100 C O a 100 C 50 a 1000 um 20 a 80 C Velocidade de vibra o 2 a 1000 Hz 30 a 80 C 0 a 1 2 kHz 0 a 125 C 0 3 a 2 3 mm 30 a 80 C Entreferro Deslocamento o 89 PILOTREK WES WGS 140 14N DN 40 Nivetec SL 3000 Argonaut Sontek SICAM P 50 SIEMENS M dulos de Conex o VIB 8 310 a 8 313 Pruftechnik Field Multiplexers VIB 8 306 Pruftechnik VIBRONET Signalmaster VIB 5 890 1 Pruftechnik N vel de gua 0 2a12m 30 a 100 C o Vaz o Pot ncia Voltagem Corrente e outros par metros el tricos Aquisi o e Processamento de dados Aquisi o e Processamento de dados Aquisi o e Processamento de dados 0 a 55 C 20 a 80 C 40 a 80 C Ba o VIB 8 310 3 VIB 8 312 15 VIB 8 313 2 importante salientar que no sistema de monitora o proposto por esse projeto equipamentos de diferentes fornecedores foram utilizados de forma que as condi es apresentadas pela turbina hidrocin tica possam ser monitoradas da forma mais satisfat ria poss vel Contudo a pr tica adotada pelo mercado a de se contratar uma empresa especializada em monitora o para fazer a proposta e instala o do sistema como um todo onde seriam utilizados os equipamentos pr prios dessa empresa Normalmente essas
89. has nas pistas de rolamentos e falhas nos dentes das engrenagens dentre outros Como apresentado por Fonseca e Ara jo 2013 a caixa multiplicadora possui dois est gios de redu o sendo o primeiro com tr s engrenagens planet rias e o segundo com quatro Para essa configura o a faixa de frequ ncia que deve ser adotada para a escolha dos sensores deve englobar as frequ ncias de poss veis falhas apresentadas na Tab 6 7 Esta tabela foi baseada em informa es das Tabs 3 3 e 3 4 e em uma rota o de 25 rpm para o eixo de entrada e 500 rpm para o eixo de sa da Tabela 6 7 Frequ ncia de rota o associada a poss veis falhas da caixa multiplicadora da turbina hidrocin tica Rota o do Falhas componente Frequ ncias de falha Hz rpm Desalinhamento Desbalanceamento do i 25 0 42 0 83 1 25 eixo de entrada Desalinhamento Desbalanceamento do 500 8 4 16 7 25 eixo de sa da Eixo Torto defletido Entrada 25 0 83 Eixo Torto defletido Sa da 500 16 7 Entre a frequ ncia de rota o do eixo 0 42 ou 8 4 e a Engrenagens com pitting dentes 25 a 500 rota o x N de dentes da quebrados exc ntricas e desalinhadas f engrenagem monitorada 79 Pista externa d fBro gt fr 1 T cosp Pista interna d Deteriora o das pistas internas e externas fBri fy 1 T cosp 25 e 500 e dos elementos rolantes do mancal Elementos rolantes d da foro 55 1 5 cosp 3 a 10 x Frequ
90. idr ulica Kaplan de eixo horizontal acoplada a um gerador s ncrono tamb m horizontal que se encontra dentro de uma c psula met lica estanque bulbo totalmente imersa no fluxo hidr ulico Como o gerador el trico e os mancais encontram se enclausurados os espa os dispon veis para circula o e manuten o dentro da unidade s o ex guos exigindo das equipes de montagem opera o e manuten o especial aten o quanto ao planejamento das interven es 42 Na Figura 5 2 pode se observar a configura o geral de uma turbina bulbo com seus principais componentes Figura 5 2 Configura o da turbina Bulbo Real et al 2013 1 C psula ou Bulbo C psula herm tica que abriga todo o conjunto eletromec nico 2 Tubo de acesso ao gerador Escada para o acesso de operadores ao gerador 3 C mara de Adu o posicionada na regi o final da queda d gua 4 Sistema de leo do Rotor Sistema respons vel pela lubrifica o dos componentes 5 Gerador S ncrono Respons vel pela gera o de energia el trica por meio da rota o do seu rotor 6 Pr Distribuidor e Tubo de Acesso Turbina Pr Distribuidor um conjunto de palhetas guias fixas que tem por finalidade dirigir o fluxo de gua na turbina 43 Acesso turbina uma escada que permite o acesso de operadores turbina 7 Mancais Suportam o eixo da turbina e permitem que ele gire livremente 8 Estrutura de Sustenta o
91. imento de outro Portanto diante dessas evid ncias sempre desej vel monitorar m ltiplos par metros f sicos m ltiplas vari veis Existem no mercado v rios softwares comerciais espec ficos para monitoramento desenvolvidos por empresas especializadas tais como a Bently Nevada VibroSystM Pruftechnik etc A implanta o de um sistema desses exige um investimento inicial no condicionamento de sinal na compra de sensores central de processamento software de an lise de dados e etc Algumas metodologias j s o utilizadas no mercado para monitorar a condi o de componentes de m quinas Entre as que mais se destacam est o a an lise da assinatura vibracional an lise de res duos an lise de ru dos e o monitoramento da temperatura Neste trabalho foi dada uma nfase maior na an lise de vibra es j que este o m todo mais utilizado e o que produz melhores resultados A Figura 3 2 ilustra duas situa es diferentes de desenvolvimento de falhas Em uma delas linha s lida a MBC Offline suficiente pois a velocidade de desenvolvimento da falha lenta Nesse caso o n vel cr tico foi identificado na inspe o n mero seis e a troca do componente programada para a inspe o seguinte Na outra situa o linha pontilhada a MBC Online se faz necess ria j que a falha se desenvolve muito rapidamente e n o seria identificada nas rotinas de inspe o da MBC Offline Condi o Tempo Figura 3 2 M
92. is processamento de dados entre outros Neste trabalho foram escolhidos os equipamentos que melhor atendessem s necessidades dos diversos componentes Por isso foram utilizados equipamentos de diferentes fornecedores ainda que se tenha dado prefer ncia aos produtos da empresa Pruftechnik Observou se que as empresas habitualmente vedem todo sistema de monitora o para os clientes utilizando produtos de sua pr pria marca ou de parceiros compat veis Portanto caso a 92 Eletronorte opte por uma solu o fechada de uma empresa espec fica este trabalho servir de refer ncia para que se saiba quais medi es precisam ser feitas e em quais componentes importante salientar que o sistema de monitora o proposto teve como base as informa es dispon veis na terceira vers o do Caderno De Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Projeto Tucunar 2014 Caso haja mudan a nas caracter sticas ou disposi o de algum componente da turbina os equipamentos propostos devem ser revisados para que se verifique se os mesmos continuam sendo adequados para as tarefas que precisam desenvolver Para trabalhos futuros os seguintes temas foram identificados como relevantes ao sistema de monitora o da turbina hidrocin tica e Integrar o sistema proposto neste trabalho com o sistema SCADA e Caso a constru o de um prot tipo seja realizada o monitoramento e coleta de dados da turbina pode ser realiza
93. is para gerar a eletricidade desejada fonte essa que n o renov vel e nem limpa Dentre os tipos de energia limpa e renov vel mais utilizados hoje em dia pode se citar por exemplo a energia e lica e solar mas a que domina o cen rio brasileiro a hidrel trica Estima se que mais de 70 da capacidade de gera o de energia el trica instalada no Brasil venha das usinas hidrel tricas Fig 1 1 enquanto as termel tricas a g s natural s o respons veis por 5 7 a biomassa por 5 1 as nucleares por 2 7 as de carv o mineral por 1 3 e as de g s industrial residual por 1 5 Outras fontes energ ticas como a e lica e a solar s o inexpressivas por terem uma participa o ainda muito reduzida no cen rio nacional Altino Ventura 2013 TWh E LICA IMPORTA O TOTAL 544 9 HIDRO 405 1 INDUSTRIAL G S NATURAL 30 8 DER PETR LEO 14 6 NUCLEAR 14 5 CARV O 71 BIOMASSA 28 0 G S INDUST 8 2 E LICA 2 2 DERIVADOS DE PETR LEO NI 2 7 RENOV VEIS CARV O Brasil 85 8 MINERAL OECD 16 6 1 3 Mundo 18 7 G S NATURAL 5 7 Nota inclui autoprodutor cativo 40 4 TWh Figura 1 1 Matriz de Oferta de Energia El trica Minist rio de Minas e Energia 2010 O Brasil um pa s privilegiado devido a sua topografia Segundo o Plano 2015 da Eletrobr s 1994 ltimo invent rio produzido no pa s em 1992 a grande quantidade de rios que cortam o pa s e os desn veis apres
94. l D da m quina em quest o FASEZ2 Identifica o das frequ ncias de interesse correspondentes ao funcionamento normal e aos defeitos Consequentemente as faixas dos espectros de vibra o a serem adquiridos ser o definidas FASES Medi o inicial com a completa an lise quanto ao n vel de severidade de vibra o e espectro para identificar os eventuais defeitos presentes 26 Vems m s FASES Ajuste inicial corrigindo se os pequenos defeitos e obtendo se o n vel de severidade de vibra o para o que se considera um bom funcionamento Obten o dos espectros de vibra o para esta condi o que ser o as refer ncias FASES Monitoramento peri dico por severidade de vibra o FASE6 Se o monitoramento acusar uma varia o s bita ou atingir o n vel de alarme deve se obter espectros e fazer uma an lise para a identifica o do problema FASET7 Diagnosticado o defeito recomendar a manuten o corretiva ou preventiva necess ria e recome ar o processo de monitoramento obtendo se inicialmente os espectros de refer ncia como na fase 4 Redutor nas condi es iniciais Redutor com o eixo de sa da desalinhado Medi o na dire o axial do eixo de sa da Ponto M5A Medi o na dire o axial do eixo de sa da Ponto M5A wms m s Redutor sem lubrificante e sem graxa em M3 e M5 Redutor com danos pontuais Medi o na dire o axial do eixo de sa da Ponto
95. lta velocidade da Caixa Multiplicadora Radial AN8 Rolamento do eixo de sa da da Caixa Multiplicadora Radial AN9 Rolamento do eixo de entrada da Caixa Multiplicadora Radial AN10 Chassi Radial AN11 Entrada do gerador Radial AN12 Parte traseira do gerador Radial Al m das instala es dos aceler metros um sistema para a monitora o da condi o do leo da caixa multiplicadora foi montado O esquema desse sistema pode ser visualizado na Fig 5 10 Segundo Sheng et al 2011 o sistema apresentado inclui quase todas as pr ticas utilizadas na ind stria e lica para o monitoramento cont nuo em tempo real do leo O sensor de monitoramento instalado dentro do circuito de filtragem denominado inline e indicado por KI Dentro do circuito de filtragem denominado Offline os sensores s o indicados por K2 K3 Os sensores KI K2 e K3 s o sensores contadores de part culas sendo que o sensor KI fornece a contagem de part culas acumuladas Os sensores K2 e K3 fornecem tanto a contagem total de part culas acumuladas quanto a contagem de part culas ferrosas n o ferrosas em diferentes tamanhos O sensor que utiliza como crit rio o n vel de limpeza ISO realiza a medi o de contamina o do leo monitorado mas est restrito a um tamanho de part culas pequeno comparado com os valores medidos por K1 K2 e K3 Os sensores de qualidade do leo e umidade s o usados para monitorar a degrada o do leo Para a maioria
96. m intervalos de tempo menores 60 40 15 09 2009 00 00 21 09 2009 00 00 27709 2009 00 00 03 10 2009 00 00 09 10 2009 00 00 18 09 2009 00 00 24 09 2009 00 00 30 09 2009 00 00 06 10 2009 00 00 Temperatura do Umidade do Quantidade de Temperatura da leo leo Detritos Ferrosos Caixa Figura 5 15 Leituras do sensor de monitoramento da condi o de leo Sheng et al 2011 62 14 09 2010 00 00 15 09 2010 00 00 16 09 2010 00 00 17 09 2010 00 00 18 09 2010 00 00 Temperatura do Umidade do Quantidade de Temperatura da leo leo Detritos Ferrosos Caixa Figura 5 16 Leituras do sensor de monitoramento da condi o do leo Sheng et al 2011 Metais Ferro ppm Alum nio ppm cromo ppm Cobre ppm Chumbo ppm Estanho ppm Niguel ppm Prata ppm S dio ppm Boro ppm lt 1 Zinco ppm 1 F sforo ppm C lcio ppm Magn sio ppm 2 AA A A A dy eN A 1 3 AA N 4 A o A ANN l DS IDG dd ad cd ud nd ad nd Ee Za B rio ppm Molibi nio ppm Pot ssio ppm Limites de refer ncia Resultados da An lise Figura 5 17 An lises de amostras de leo Traduzido de Sheng et al 2011 Depois de realizada uma an lise do trabalho desenvolvido por Sheng et al 2011 concluiu se que os m todos utilizados para analisar os dados de vibra o obtidos pelos aceler metros foram capazes de identificar falhas em v rios componentes d
97. m a energia cin tica do escoamento do fluido e a transformam em energia mec nica de rota o que posteriormente ser transformada em energia el trica O hub al m de fixar as p s transmite a energia mec nica de rota o ao eixo de entrada da caixa multiplicadora Na Figura 6 3 e Tabela 6 1 podemos visualizar a p e o rotor e suas caracter sticas dimensionais P s 3 Hub Figura 6 3 Rotor da Turbina da unidade geradora HTUC 01 Projeto Tucunar 2014 Tabela 6 1 Caracter sticas preliminares do rotor da turbina Projeto Tucunar 2014 Grandeza Caracter stica Valor previsto Quantidade de p s 3 p s Di metro do rotor 10 000 mm Di metro do cubo do rotor 1 200 mm Di metro interno do rotor para montagem no eixo 300 mm Massa do conjunto p s e cubo do hub 3 360 kg 70 6 1 2 SELO MEC NICO O selo mec nico tem a fun o de manter a estanqueidade no interior da nacele Instalado na nacele entre o hub e a caixa multiplicadora o selo mec nico deve impedir qualquer entrada de gua no interior do sistema suportando ao mesmo tempo uma press o interna de 1 bar e externa de 2 5 bar O selo dever ser bipartido e com di metro interno de 300 mm De acordo com o Fonseca e Ara jo 2013 selos mec nicos dos fabricantes EagleBurgmann e Flex A Seal foram identificados como poss veis selos para o uso na turbina hidrocin tica Atrav s da Tabela 6 2 e da Figura 6 4 podemos ver as configura
98. m captador de vibra o um conjunto indicador contendo um amplificador filtro para delimita o da resposta em frequ ncia se for este o objetivo um indicador e ou registrador fonte de 15 alimenta o e se for o caso um analisador de espectro em tempo real A Figura 3 3 ilustra esse conjunto descrito A i ly Amplificador VM ams Pico Analisador Figura 3 3 Instrumental b sico de medi o de vibra es Adyles 2004 e Ligia Lao Amplitude F N Como salientado por Sequeira 2005 os sensores respons veis por captar sinais vibrat rios provenientes dos equipamentos s o os transdutores de vibra o mec nica Dentro desses transdutores o aceler metro o mais utilizado devido a sua grande versatilidade O aceler metro mede a acelera o din mica de componentes aos quais ele acoplado podendo ser disposto de tal modo a obter dados nas dire es radiais axiais em dire es biaxiais e at triaxiais Existem v rios tipos de aceler metros como os piezoel tricos piezoresistivos capacitivos magnetoresistivos e outros sendo que o piezoel trico o mais utilizado para monitora o Seu funcionamento baseado em uma massa conectada a uma mola de press o que ficam apoiadas sobre cristais piezoel tricos que sujeitos compress o ou tra o de um carga unida ao cristal geram um sinal el trico proporcional a acelera o da massa Essas for as s o proporcionais acele
99. m progn stico consiste na amplia o do diagn stico e na predi o de quanto tempo se disp e antes da parada for ada pela quebra propriamente dita ou quais ser o as consequ ncias futuras acarretadas pela prorroga o de um eventual defeito Nessa fase o equipamento submetido a uma vigil ncia cuidadosa e se faz a programa o do reparo Tonaco 2008 Essa atitude preventiva reduz os custos extras com manuten o corretiva Contudo a ocorr ncia de fatores aleat rios a que todo equipamento est sujeito provoca modos de falhas que n o s o previs veis ou cuja imin ncia n o pode ser detectada Nesses casos n o ser poss vel uma a o proativa da equipe de manuten o e ser necess ria uma manuten o corretiva Contudo a an lise 10 desses casos tem seu valor por fornecer informa es valiosas sobre o conhecimento da m quina de forma a permitir uma a o proativa no futuro O diagn stico e o progn stico de falhas em m quinas s o procedimentos de mapeamento das informa es extra das dos dados de monitora o da condi o e de eventos em um espa o de modos de falha tamb m conhecido como reconhecimento de padr es de opera o Em geral esse reconhecimento de padr es realizado por especialistas num dom nio especifico de conhecimento O reconhecimento de padr es pode ser implementado de duas formas a recrutamento de pessoal altamente treinado e habilitado ou b o reconhecimento autom tico
100. mitem os dados para um software SCADA na sigla em ingl s para Supervisory Control and Data Acquisition atrav s de protocolos de comunica o A interface homem m quina IHM desses softwares permite que o operador monitore os dados e intervenha quando necess rio Al m disso os dados recebidos pelo software podem ser armazenados em bancos de dados para que se tenha um hist rico de funcionamento dos equipamentos A Figura 4 1 mostra alguns componentes presentes no SMC que ser o explicados no decorrer deste cap tulo 4 Entradas Manuais Sensores Mandam dados para os Mandam dados para os CLPs ou UTRs CLPs ou UTRs is IHM SCADA Painel de Visualiza o ils i Supervisiona e PA controla o sistema Internet FA LS Conecta o SCADA rede A 4 ka IHM SCADA Computador p Supervisiona e controla o sistema Figura 4 1 Componentes presentes no Sistema de Monitora o da Condi o Traduzido de Inductive Automation 35 4 1 SISTEMAS SCADA Sistemas supervis rios conhecidos como sistemas SCADA na sigla em ingl s para Supervisory Control and Data Acquisition s o atualmente muito usados em v rios tipos de ind stria como de energia transporte AVAC R dentre outros Esses sistemas utilizam tecnologias variadas para monitorar coletar armazenar e processar dados assim como enviar comandos para o transmissor desses dados Esses sistemas podem ser usados em aplica es desde as mais simples a
101. monitoring of wind turbine blades a preproject Roskilde Dinamarca 2002 40f Riso National Laboratory BORUM K K et al Condition Monitoring of Wind Turbine Blades Proceedings of the 27th Risoe International Symposium on Materials Science 7 f Risoe National Laboratory Roskilde Dinamarca 2006 CASELITZ P GIEBHARDT J Rotor condition monitoring for improved operational safety of offshore wind energy converters ASME Journal of Solar Energy Engineering vol 127 pp 253 261 2005 COSTA E S et al Sobre os Sinais de Vibra o no Monitoramento de Unidades Hidrogeradoras Par Brasil 2010 Diniz et al Segundo Relat rio Parcial do Projeto Tucunar Aproveitamento de Energia Hidrocin tica em guas Vertidas e Turbinadas Relat rio de andamento do projeto organizado por Ant nio C P Brasil Jr e Andr Mesquita UnB Eletronorte Bras lia DF 2013 FONSECA E N ARAUJO I G Projeto do sistema de transmiss o e estrutura de turbina hidrocin tica Bras lia DF 2013 105f Projeto de gradua o em Engenharia Mec nica Faculdade de Tecnologia Universidade de Bras lia GANGBING Song HUI Li BOSKO Gajic WENSONG Zhou PENG Chen amp HAICHANG Gu 2013 Wind turbine blade health monitoring with piezoceramic based wireless sensor network International Journal of Smart and Nano Materials 4 3 150 166 DOI 10 1080 19475411 2013 836577 GONG Xiang ONLINE NONINTRUSIVE CONDITION MONITORING AND FAULT DETEC
102. n vel de amplitude do seu sinal vibrat rio Com base nesse n vel estabelece se o n vel inicial da severidade de vibra o da m quina em condi es de funcionamento normal que ser o padr o de refer ncia Depois pode se comparar o n vel de severidade apresentado no decorrer do seu funcionamento com o padr o estabelecido Um mau funcionamento do equipamento percebido quando se atinge n veis de severidade de vibra o considerados pelas normas t cnicas adotadas como inaceit veis ou quando h um incremento repentino na taxa de varia o da severidade Normas t cnicas como a ISO 7919 escolhem a amplitude de deslocamento relativo eixo mancal como crit rio de severidade para m quinas girantes com velocidades de rota o na faixa de 60 a 1800 rpm 1 a 30 Hz No caso da turbina hidrocin tica estudada sabe se que a rota o nominal do rotor ser de 25 rpm e a rota o m xima ser de 80 rpm J o gerador ter uma velocidade de 500 rpm segundo o Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Diniz et al 2014 De acordo com a severidade de vibra o medida em uma m quina esta pode ser classificada em quatro n veis seguindo as normas ISO e no Brasil a ABNT 1 N vel A Boas condi es Faixa normalmente encontrada ap s amaciamento em m quinas novas ou revisadas 2 N vel B Aceit vel para opera o continuada Faixa de opera o normal das m quinas em boas condi e
103. nado e mancal de escora pr ximo ao gerador s o equipados com tr s aceler metros que medem vibra o axial e radial O mancal guia da turbina est equipado com dois aceler metros para medi o de vibra es radiais Os sinais de sa da dos aceler metros s o mandados diretamente para a unidade de aquisi o de dados 46 5 2 TURBINAS E LICAS Turbinas e licas s o sistemas que usam a energia cin tica do vento para produzir energia el trica Essa capta o da energia proveniente do vento se d por meio das p s que absorvem a for a do escoamento incidente e a partir do torque gerado tocam o eixo a uma baixa rota o 5 2 1 CONFIGURA O DE UMA TURBINA E LICA Para as turbinas e licas existem duas configura es t picas A primeira configura o n o apresenta caixa multiplicadora tendo o seu rotor ligado diretamente ao gerador A segunda configura o possui caixa multiplicadora que tem por finalidade aumentar a velocidade transmitida pelas p s velocidade exigida pelo gerador A Figura 5 4 mostra a configura o de uma turbina e lica de conjunto eletromec nico semelhante ao da turbina hidrocin tica que ser utilizada no Projeto Tucunar ou seja com a presen a da caixa multiplicadora como definido por Fonseca e Ara jo 2013 Nesta figura a nica diferen a encontrada dentro do conjunto eletromec nico em rela o turbina hidrocin tica o posicionamento do freio que est colocado
104. nesse eixo baixa e por isso se usa a caixa de engrenagens e Caixa de Engrenagens Respons vel por transformar o alto torque e baixa velocidade de rota o do eixo de entrada em baixo torque e alta velocidade no eixo de sa da E necess rio porque o gerador exige uma alta velocidade de rota o no seu eixo de entrada e Gerador El trico Respons vel por gerar eletricidade a partir da rota o do eixo de alta velocidade Geralmente s o utilizados os geradores de indu o ou geradores s ncronos Em algumas aplica es podem ser usados os motores ass ncronos de indu o com rotor bobinado de an is duplamente excitados atuando como gerador e Controle de Giro Utilizado para alterar a posi o angular da turbina de forma que a incid ncia do vento seja direta aproveitando o m ximo poss vel da energia e lica Pode ser controlado via motor el trico ou mecanicamente e Sistema de Freio Os sistemas de freio podem ser do tipo a disco quando a turbina de grande porte usado no momento da manuten o ou quando a turbina est sujeita a condi es extremas por exemplo quando os sensores de monitora o indicarem ventos excessivos devido a tempestades 48 e Sistemas de Controle Usado para controlar vari veis de funcionamento da turbina a partir da capta o de sinais sobre o seu funcionamento A capta o de sinais feita atrav s dos sensores de monitora o e Torre Elemento que sustenta toda a
105. nstituem as turbinas e licas e hidrocin ticas de fato n o apresentam muitas diferen as A distin o est basicamente nas dimens es dos componentes e da turbina em si j que a turbina hidrocin tica apresenta dimens es reduzidas se comparada turbina e lica Para a turbina hidrocin tica n o haver uma torre de sustenta o como no caso da turbina e lica o que dar suporte turbina ser um flutuador Outra diferen a entre a opera o da turbina e lica e da hidrocin tica o fluido que ir realizar trabalho nas p s e variar a quantidade de movimento angular delas Enquanto na e lica a for a vem do escoamento do ar na hidrocin tica essa for a proveniente do escoamento da gua Por esse motivo esse e outros fatores s o levados em conta na an lise da turbino bulbo Assim como na turbino bulbo h a necessidade de se evitar infiltra es na turbina hidrocin tica as mesmas exig ncias existem Isso se deve ao fato de que componentes internos precisam estar isolados da gua ou seja dentro da nacele deve haver apenas ar As subse es seguintes detalham as fun es dos diversos componentes da turbina hidrocin tica e apresentam as suas especifica es como definido no Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 2014 69 6 1 1 ROTOR O rotor composto pelas p s e hub o componente que inicia a retirada de energia presente no escoamento das guas do rio As p s capta
106. nto de sensores para que a monitora o da caixa multiplicadora seja completa 6 2 4 GERADOR O gerador o principal componente da turbina hidrocin tica j que ele o respons vel por transformar a energia mec nica de rota o do eixo em energia el trica A quantidade de energia el trica produzida dever ser proporcional velocidade do rio Por isso a pot ncia gerada pela turbina hidrocin tica dever ser monitorada atrav s de um medidor de pot ncia para que em conjunto com os dados de velocidade do rio a performance dessa turbina possa ser avaliada O medidor de pot ncia power meter utilizado ser o SICAM P 50 da empresa Siemens que mede valores rms de voltagem corrente pot ncia aparente ativa e reativa fator de pot ncia e ngulo de fase dentre outros Sua faixa de opera o de O a 55 C com voltagens de at Y 400 A 690 V Um outro par metro importante a ser monitorado nesse tipo de turbina o entreferro air gap como demonstrado por Metzker et al 1999 e publicado em VibroSystM Newsletter 2000 Para isso ser o usados quatro sensores a jusante separados de 90 nas posi es 45 135 225 e 315 e mais 83 quatro sensores a montante dispostos da mesma forma como indicado por T treault e Gomes 2011 e Metzker et al 1999 O sensor usado para estas medi es ser o VM 6 1 da VibroSystM que mede o entreferro de 5 a 50 mm tem resposta em frequ ncia de O a 1 2 kHz e funciona entre O
107. o vertical da torre O desbalanceamento do rotor era proveniente do desbalanceamento das p s causado pelo gelo que estava incrustado nessas p s Apesar da an lise vibracional do rotor n o ser um m todo muito utilizado a an lise vibracional do mancal da turbina hidrocin tica capaz de identificar falhas no rotor como indicado por Adyles 2004 Esse um m todo poss vel e f cil de ser usado pois existir um sistema de monitora o para o mancal ou seja n o seria necess rio a adi o de mais sensores ao sistema e Extens metros Os extens metros atuam no corpo monitorado avaliando a deforma o obtida ap s a aplica o de um carregamento Nas p s de turbinas e licas extens metros s o utilizados para monitorar essas deforma es e a partir da detectar trincas altos carregamentos flex o e tor o indesej veis Segundo Hyers et al 2006 e Krebber et al 2005 a partir da an lise dos dados coletados pode se estimar a vida til at a ocorr ncia de uma falha na p Al m disso pode se monitorar as cargas instant neas nas p s e em uma situa o de sobrecarregamento como em uma tempestade o funcionamento da turbina 65 pode ser interrompido Dois tipos de sensores realizam esse monitoramento os extens metros el tricos e os extens metros pticos de rede Bragg Segundo a NI National Instruments os extens metros el tricos s o transdutores que possuem uma resist ncia el trica que varia na
108. o caso da turbina hidrocin tica A seguir os tr s m todos mais utilizados s o apresentados e Emiss o Ac stica Segundo Yang 2009 a emiss o ac stica um m todo bastante promissor para o monitoramento da sa de das estruturas das p s de turbinas e licas Apesar disso este m todo ainda n o foi totalmente validado pela ind stria e lica necessitando ainda de avan os e aperfei oamentos De acordo com Soeker et al 2006 os dados de uma determinada rea de monitora o s o captados por meio de tr s sensores ac sticos piezoel tricos presos s p s que ao detectar ru dos provenientes de rachaduras nas p s conseguem indicar com precis o o local da falha A Figura 5 18 ilustra este cen rio Figura 5 18 Detec o de trinca por meio de tr s sensores piezoel tricos Risoe 2002 64 Segundo Borum et al 2006 e Raisutis et al 2008 as ondas el sticas que s o geradas por meio de uma r pida libera o de energia causadas pela apari o ou desenvolvimento de trincas carregam esta energia ao longo da estrutura da p Esta energia captada pelos sensores piezoel tricos que a transmitem por meio de sinais el tricos a uma central de dados Segundo Tchakoua et al 2014 os sensores podem detectar por meio das ondas el sticas de alta frequ ncia 50kHz at 1 MHz falhas como a apari o e crescimento de trincas quebra de fibras descolagem e delamina o Desse modo a emiss o ac stica tem se re
109. o de manuten o da turbina Surge da uma necessidade de reduzir ao m ximo esses per odos de inatividade para que a disponibilidade das turbinas seja maior e os custos de O amp M sejam reduzidos As t cnicas de manuten o objetivam assegurar que cada componente desempenhe a sua fun o usando apenas a quantidade de recursos necess ria para conferir confiabilidade ao sistema e para recuper lo de falhas Tradicionalmente a manuten o pode ser dividida em tr s grupos manuten o corretiva manuten o preventiva e manuten o preditiva conhecida tamb m como manuten o baseada na condi o MBC Fig 2 1 N o Planejada Figura 2 1 Tipos de Manuten o Adaptado de Simei Manuten o Planejada Preventiva Preditiva A Manuten o Corretiva MC aplicada quando ocorrem falhas s bitas de componentes da m quina e essas falhas precisam ser corrigidas seja por reparo ou por substitui o da pe a Para que se corrija esse tipo de falha quase sempre necess rio tirar a m quina de opera o para que o reparo seja feito Al m disso componentes que est o ligados direta ou indiretamente ao componente que venha a falhar podem sofrer danos que ocasionam o encurtamento da vida til desses componentes ou at mesmo a falha s bita A pausa no funcionamento da m quina assim como os danos causados a outros componentes podem ser extremamente onerosos e por isso a manuten o corretiv
110. o estrat gica vital revelar poss veis falhas e mostrar o local onde investigar Assim a instrumenta o pode seguramente aumentar a disponibilidade ao agir diretamente na redu o dos tempos de diagnose de problemas e de valida o teste prevenir uma poss vel falha ou realizar um planejamento pr vio que reduza os demais tempos de parada A instrumenta o tenta cercar os modos de falha denominados cr ticos em termos operacionais Este conjunto de sensores fornecer ind cios da ocorr ncia de modos de falha com efeitos significativos no desempenho ou que induzam a parada da turbina hidrocin tica De posse desses dados a equipe de manuten o poder estender a opera o com seguran a ou atuar de maneira mais eficiente reduzindo o tempo de parada 13 Segundo Costa et al 2010 os sintomas gerados pelo desenvolvimento de um determinado defeito nunca se manifestam atrav s da altera o de um nico par metro f sico vari vel monitorado Por exemplo um desbalanceamento mec nico pode gerar aumento na temperatura do mancal e aumento da vibra o que medida neste mancal Por outro lado um determinado par metro monitorado nunca sofre influ ncia do desenvolvimento de um nico tipo de defeito Por exemplo a vibra o monitorada pode detectar diferentes tipos de defeitos desbalanceamento desalinhamento instabilidades cavita o etc Muitas vezes tamb m o desenvolvimento de um defeito respons vel pelo desenvolv
111. o lado apesar de terem os conjuntos eletromec nicos semelhantes sabe se que as condi es de opera o das turbinas e lica e hidrocin tica apresentam grandes diferen as Enquanto a e lica est imersa em ar ambiente e n o opera de forma constante a hidrocin tica opera constantemente e debaixo d gua Por esse motivo as turbinas bulbo tamb m foram estudadas para que um sistema de monitora o adequado para a hidrocin tica pudesse ser proposto A confiabilidade dos componentes das turbinas um importante ponto a ser analisado e discutido nesta se o Com um estudo detalhado da ocorr ncia de falhas determinamos quais componentes est o sujeitos a apresentar irregularidades com maior frequ ncia as principais causas dessas irregularidades e qual o tempo de manuten o necess rio para a sua corre o Segundo Gray 2012 a taxa de falhas em uma turbina e na maioria das m quinas em geral segue uma curva conhecida como Bathtub banheira em tradu o livre devido a sua forma Fig 5 1 Essa curva composta por tr s tipos de falhas e Falhas prematuras e Falhas constantes e Falhas por desgaste A soma desses tr s componentes comp em a taxa de falhas no decorrer da vida da m quina analisada 40 Taxa de Falha Taxa de Falha Taxa de Falha Decrescente Constante Crescente I I I l I I I far I o l Taxa de falha l Rx E R l observada l o 2 Falhas x prematuras l o Falhas
112. o passo que possibilite uma avalia o de performance da mesma Para dar uma base te rica s lida a esse projeto primeiramente foi realizada uma revis o bibliogr fica da literatura dispon vel sobre sistemas de monitoramento de m quinas Assim como foi feito em trabalhos anteriores do Projeto Tucunar tomaremos as turbinas e lica e hidr ulica como ponto de partida para o nosso trabalho j que no meio acad mico ainda n o se encontram trabalhos dispon veis com essa tem tica aplicada s turbinas hidrocin ticas Apesar das semelhan as an lises ser o feitas para que se fa a a transposi o correta dos conceitos estudados em um tipo de turbina para o outro considerando as particularidades apresentadas por cada tipo Esse projeto de gradua o come a dando um panorama geral sobre energia no cen rio brasileiro e introduz os objetivos do projeto no cap tulo 1 mostrando tamb m algumas vantagens ao se utilizar turbinas hidrocin ticas O cap tulo 2 mostra as caracter sticas dos tr s tipos de manuten o realizados a saber manuten o corretiva manuten o preventiva e manuten o preditiva tamb m conhecida por manuten o baseada na condi o MBC Ap s a distin o destes tipos um aprofundamento feito na MBC no cap tulo 3 mostrando os m todos de monitora o utilizados de forma a prever falhas nos componentes O cap tulo 4 mostra o que s o e como funcionam os sistemas de monitora o de m quinas em
113. of Technology Lithuania 5f 2008 REAL Eduardo et al Turbina Bulbo Universidade Federal de Pernambuco Recife 2013 REVISTA FURNAS Ano XXXI N 318 Mar o de 2005 SEQUEIRA Cl udia D Sensores para Medi es de Vibra es Mec nica Aceler metros Revista Manuten o ed 116 Brasil 2013 SERRIDGE M e Licht T R Piezoeletric Accelerometers and Vibration Preamplifiers Theory and Application Handbook Br el and Kjaer Dinamarca 1987 160f SOEKER Holger et al Rotor Blade Monitoring The technical essentials Alemanha 5 f 2005 SOUZA R Q Metodologia e Desenvolvimento de um Sistema de Manuten o Preditiva Visando Melhoria da Confiabilidade de Ativos de Usinas Hidrel tricas Disserta o de Mestrado Mestre em Sistemas Mecatr nicos Departamento de Engenharia Mec nica UnB Bras lia 2008 TAVNER P J et al Reliability of Different Wind Turbine Concepts with Relevance to Offshore Application Dispon vel em lt www wind power program com gt Acesso em 31 maio 2014 TAVNER PJ et al Reliability of offshore turbines identifying risks by onshore experience Durham UK 2009 TAVNER P J A survey of Wind Turbine Condition Monitoring Experience in Europe Durham UK 31f Texto digitado TCHAKOUA P et al Wind turbine condition monitoring State of the art review new trends and future challenges Enegies 36 f Abr 2014 TIAGO G L The state of art of hydrokinetic power in Brasil
114. onadas ao estado condi o do equipamento press o temperatura n vel densidade etc Os dispositivos respons veis pela aquisi o de dados s o os sensores Estes s o componentes eletromec nicos que tem a fun o de captar est mulos f sicos qu micos e convert los em sinais el tricos ou pticos que possam ser posteriormente analisados pelo sistema computacional Podem ter seu funcionamento baseado em diversos princ pios f sicos qu micos dependendo do que se quer medir mas independentemente do princ pio em que se baseia esse sensor precisa sentir as varia es na vari vel de interesse e transform las em sinais el tricos correspondentes Essa transforma o de varia o mec nica para sinal el trico feito pelo transdutor Por aparecerem juntos na maioria das vezes sensores e transdutores s o muitas vezes considerados a mesma coisa e na maioria das vezes os termos podem ser usados indistintamente PROCESSAMENTO DE DADOS Ao receber os dados dos sensores o sistema computacional precisa filtrar esses dados pois sempre existe ru do associado as medi es dos sensores A filtragem dos dados garante ou pelo menos aumenta a chance que apenas dados livres de ru dos sejam usados para an lises e modelagens futuras O processamento de dados envolve a an lise de dados de eventos que conhecida como an lise de confiabilidade Esse passo tem a finalidade de ajustar a distribui o de probabilidade de interv
115. p as principais s o rachaduras desbalanceamento das p s deforma es causados por fadiga grandes cargas tor o e flex o fric o folga e incrusta o de elementos n o desejados O sistema de monitora o proposto baseado em sensores de vibra o localizados nos mancais da turbina e n o diretamente nas p s Como citado na se o 3 2 sobre MBC Online sensores de vibra o instalados em mancais podem identificar vibra es provenientes de desbalanceamento no rotor Dessa forma o sensor de vibra o que ser proposto para realizar o monitoramento do mancal servir tamb m para monitorar o rotor da turbina hidrocin tica A frequ ncia para a identifica o do desbalanceamento 1x a rota o do eixo e ou o N de p s x rota o do eixo Dessa forma os sensores que ir o medir a vibra o do mancal devem cobrir as frequ ncias de 0 42 Hz at 1 25 Hz Como o sensor utilizado estar presente no mancal este ser especificado na se o 6 2 2 que trata sobre o mancal 6 2 2 MANCAL Na monitora o de m quinas girat rias o mancal sempre um elemento de grande import ncia pois pode fornecer diversas informa es sobre o funcionamento da m quina O principal fator a ser monitorado em mancais a vibra o mas dados de temperatura tamb m podem ajudar a fazer diagn sticos de poss veis defeitos Como mostrado no item 6 1 3 na turbina hidrocin tica s existir um mancal de rolamento posicionado
116. r e pot ncia reativa indica falha el trica no gerador Rela es entre velocidade do rotor e pot ncia no gerador vibra es na caixa multiplicadora e velocidade do rotor n vel de leo na caixa multiplicadora e o tempo s o usadas para checar a condi o da caixa multiplicadora e do acoplamento Se as rela es acima est o boas ent o incompatibilidade entre velocidade do vento e velocidade do rotor incompatibilidade entre velocidade do vento e torque no eixo devido a raz o de pot ncia e velocidade no gerador podem indicar falha nas p s 39 5 MONITORAMENTO DE TURBINAS Neste cap tulo s o apresentadas as configura es dos sistemas eletromec nicos de dois tipos de turbinas usadas para a gera o de eletricidade a saber turbina e lica e turbina bulbo Al m disso s o apresentados exemplos de sistemas de monitora o utilizados pelo mercado em turbinas desses tipos afim de subsidiar a proposi o de um sistema de monitora o para a turbina hidrocin tica desenvolvida no Projeto Tucunar As turbinas e lica e bulbo foram usadas como par metro por apresentarem semelhan as com a hidrocin tica no que se refere aos componentes e s condi es de trabalho respectivamente Devido s semelhan as citadas pode se estudar como a manuten o realizada nos componentes eletromec nicos das turbinas e licas para que se ajude na proposi o do sistema de monitora o para a turbina hidrocin tica Por outr
117. r sem contato PILOTREK WES WGS 140 14N DN 40 do fornecedor Nivetec Esse sensor atua medindo uma faixa de altura do n vel da gua que pode ir de 0 2 a 12 m com uma resolu o de 1 mm e com temperatura de opera o entre 30 e 100 C Por meio do sistema de n vel indica se ao operador o atual n vel de gua dentro da nacele at que a altura m xima indicada seja atingida e um alerta seja emitido A Figura 6 16 ilustra o sensor de n vel proposto p Figura 6 15 Transmissor de temperatura TTA 200 A Sensym 2014 e Figura 6 16 Transmissor de n vel tipo radar sem contato PILOTREK WES WGS 140 14N DN 40 NIVETEC 2014 85 Outro par metro que deve ser monitorado a vaz o do rio que auxiliar no monitoramento da performance da turbina Como indicado na se o sobre a confiabilidade de turbinas e licas a velocidade do vento um importante fator de an lise onde pesquisas realizadas mostraram que com o aumento da velocidade do vento o n mero de falhas tamb m aumenta Al m disso existe uma faixa de velocidade em que a turbina est apta a operar e por isso esta deve ser monitorada De forma an loga limita se a velocidade de funcionamento da turbina a uma velocidade da corrente do rio de no m ximo de 2 5 m s de acordo com o que foi apresentado por Fonseca e Ara jo 2013 Al m da liga o da velocidade de corrente do rio com o n mero de falhas outras avalia es podem ser feitas A vaz o do rio
118. ra 2 Sensores indutivos de Mancal rota o 3 Aceler metros 2 Sensores de Proximidade 1 Sensor de Temperatura E Figura 6 21 Diagrama geral do sistema de monitora o da turbina hidrocin tica 91 7 COMENT RIOS E CONLUS O Este trabalho teve como objetivo propor um sistema de monitora o para gerar informa es sobre a sa de dos diversos componentes da turbina hidrocin tica que vem sendo desenvolvida no Projeto Tucunar com fins de manuten o baseada na condi o Desse modo o sistema proposto para fazer a manuten o preditiva da turbina hidrocin tica teve como foco o acompanhamento do estado dos diversos componentes da turbina de forma que o sistema fosse capaz de perceber mudan as no comportamento da turbina e identificar as causas das mesmas A monitora o visa garantir uma otimiza o no planejamento de manuten es reduzindo tempos de substitui o de pe as e evitando falhas inesperadas dos componentes que podem ser extremamente onerosas e prejudiciais ao sistema como um todo Al m do foco de manuten o o sistema de monitora o tamb m avalia a performance da turbina monitorando a energia produzida de acordo com a velocidade do rio entre outros A metodologia usada para alcan ar o objetivo desse trabalho baseou se em uma grande pesquisa bibliogr fica acerca de tipos de manuten o realizada em diversas m quinas Essa pesquisa inicial foi feita para que a proposta do sistema de monitora
119. ra o de acordo com a lei de Newton Seu tamanho est diretamente ligado com a gama de frequ ncias utiliz vel e com a sua sensibilidade O intervalo de frequ ncias de opera o dos aceler metros situa se abaixo de sua primeira frequ ncia natural tendo uma curva caracter stica como mostrado na Fig 3 4 Frequ ncia de resson ncia Resposta linear Sensibilidade w Sa Hz 1 100 100 8000 Figura 3 4 Curva de resposta caracter stica do aceler metro Sequeira 2005 16 Como pode se observar por meio dessa curva as medi es devem ser confinadas por o linear da curva de resposta onde se tem a garantia de que os valores medidos ser o proporcionais vibra o sentida A sensibilidade medida em milivolts por unidade de acelera o e constante at cerca de 1 5 da frequ ncia de resson ncia Os aceler metros possuem uma vasta gama de frequ ncias utiliz veis 1 a 10 000 Hz s o f ceis de instalar se comparados a outros transdutores de vibra o mec nica s o menores e mais leves Resistem ao choque quedas poeiras umidade leo e outras agressividades ambientais e de manuseamento Sua instala o pode ser feita por meio de fixa o aparafusada fixa o por colagem com discos pr prios fixa o por base magn tica e por utiliza o de ponteira Na Figura 3 5 observa se a vista em corte de uma configura o t pica de um aceler metro piezoel trico Para a sua sele o d
120. ral Traduzido de Wikipedia Fibre Bragg gratting 2014 Em resumo constatou se que tanto a monitora o por meio da emiss o ac stica quanto a monitora o por meio de extens metros pticos de rede Bragg s o muito promissoras e permitem que falhas como o surgimento e crescimento de trincas sejam determinadas de forma mais precisa e exata do que em outros m todos Apesar de serem muito bem vistas a monitora o por esses dois m todos ainda enfrenta barreiras como o alto custo e a pouca experi ncia para a sua implanta o A configura o que disp e de aceler metros instalados diretamente nas p s para realizar a monitora o da vibra o desaconselhada por ter um custo alto e dif cil instala o O m todo identificado como mais apropriado para ser usado nas turbinas hidrocin ticas foi a an lise vibracional do mancal da turbina Essa solu o elimina a necessidade de instala o de equipamentos nas p s e utiliza um sistema j existente diminuindo os custos de forma consider vel 67 6 TURBINA HIDROCIN TICA Neste cap tulo foi feita uma listagem com uma breve descri o de cada componente presente no conjunto eletromec nico da turbina hidrocin tica assim como definido por Fonseca e Ara jo 2013 As caracter sticas e fun es de cada um desse componentes est o resumidas na se o 6 1 enquanto a se o 6 2 apresenta o sistema de monitora o proposto para a turbina hidrocin tica Para cada componente da
121. ransmiss es Fonseca e Ara jo 2013 13 Figura 6 7 Freio hidr ulico Caderno de Especifica es da Unidade de Gera o Hidrocin tica HTUC 01 Diniz et T A D E D EAE EEE E E a ER E ooo ESSE CEGO a Soa E ado aa El iate 14 Figura 6 8 Gerador Fonseca e Ara jo 2013 ereereeraeenaceaareraneran o 15 Figura 6 9 Proposta conceitual para a nacele da turbina hidrocin tica Fonseca e Ara jo 2013 76 Figura 6 10 Montagem dos sensores ISO 7919 5 2005 rea 11 Figura 6 11 Aceler metro VIB 6 195 e Sensor de Temperatura VIB 6 610 Pruftechnik 2014 e Sensor de Proximidade PCS 302 Manual VibroSystM 2014 78 Figura 6 12 Disposi o do conjunto de aceler metros utilizados para realizar a MBC da caixa multiplicadora Adaptado de Diniz et al 2014 eee 81 Figura 6 13 Contador de part culas de leo VIB 6 411 SET WEARSCANNER Pruftchnik 2014 Figura 6 14 Sensores VIB 6 610 a esquerda e VIB 6 620 SET a direita Pruftechnik 2014 82 Figura 6 15 Transmissor de temperatura TTA 200 A Sensym 2014 85 viii Figura 6 16 Transmissor de n vel tipo radar sem contato PILOTREK WES WGS 140 14N DN 40 NIMETEC 201P an ai an ie testando e a ic a Soda b ora aa ie aii 85 Figura 6 17 Medidor de vaz o SL 3000 Argonaut SL Sontek 2014 86 Figura 6 18 Vibronet SignalMaster Pruftechnik 2014 87 Figura 6 19 M dulos e
122. s Tabela 5 1 Taxa m dia de falha e inatividade anual em parques e licos Adaptado e traduzido de Tavner et al 2009 Taxa m dia de falha Inatividade anual falha turbina ano horas turbina ano WMEP LWK Windstats VTT Elforsk Os dados presentes na tabela mostram que a taxa m dia de falha nos diferentes s tios s o de certa forma parecidas ainda que haja varia o entre elas J a inatividade causada por essas falhas pode variar de um dia a at mesmo uma semana produzindo altos custos relativos a n o gera o de energia e a manuten o necess ria para trazer a turbina de volta ao seu funcionamento normal Em outra avalia o mostrada na Tab 5 2 pode se ainda identificar quais foram os componentes que apresentaram as maiores taxas de falha e quais ficaram mais tempo inutilizados por causa disso 50 Tabela 5 2 Componentes que apresentaram uma maior taxa de falha e um maior per odo de inatividade por falha Adaptado e traduzido de Tavner et al 2009 Maior per odo de inatividade Maior taxa de falha por falha WMEP 1 El trica 1 Caixa de engrenagens LWK 2 Rotor 2 Rotor 3 Controle 3 El trica Windstats 1 Controle 2 Rotor 3 Sistema de orienta o VTT 1 El trica 1 Transmiss o Elforsk 2 Hidr ulica 2 Sistema de orienta o 3 Sensores 3 Caixa de engrenagens Esses resultados podem ser vistos com uma avalia o mais profunda na Fig 5 5 onde uma compara o mais
123. s de manuten o e operadas adequadamente 3 N vel C Limite toler vel Faixa n o aceit vel para opera o continuada Nesta faixa deve se operar o equipamento por um per odo limitado e deve se programar uma revis o para ajustes ou conserto o mais r pido poss vel 4 N vel D N o permiss vel A severidade neste n vel considerada danosa para o equipamento Deve se parar a m quina imediatamente e realizar uma manuten o corretiva 19 No caso da manuten o preventiva a periodicidade das inspe es definida com base em normas instru es dos fabricantes e experi ncia pr via sobre a velocidade de desenvolvimento de falhas na m quina em quest o Deve se ter como objetivo a elimina o de opera es de desmontagem e montagem para simples inspe es A programa o da manuten o do equipamento sendo inspecionado ser feita quando a vibra o atingir o chamado n vel de manuten o que pode ser ajustado com base nas recomenda es das normas internacionais para algum valor dentro da faixa de vibra o aceit vel N vel C Uma varia o significativa da severidade de vibra o indica um alerta de que o equipamento pode estar migrando rapidamente para um n vel n o aceit vel N vel D Tal varia o definida como n vel de alarme Quando esse n vel atingido deve se prever o tempo que a m quina ir levar para chegar ao n vel D de severidade de vibra o e se necess rio diminuir
124. s rcios Santo Ant nio Energia e Energia Sustent vel do Brasil respons veis pelo complexo hidrel trico do Rio Madeira optaram por usar a tecnologia do grupo VibroSystM para os seus sistemas de monitora o devido a experi ncia desse grupo no monitoramento de turbinas bulbo ao redor do mundo A Figura 5 3 apresenta um esquema de como foi feito o sistema de monitora o nas turbinas desse complexo Segundo T treault e Gomes 2011 os principais desafios da monitora o em turbinas bulbo s o espa o acesso temperatura e o pequeno entreferro air gap vs di metro do rotor O entreferro air gap a dist ncia entre o estator e o rotor do gerador da turbina hidrocin tica A import ncia da monitora o desse par metro grande e uma turbina de Igarapava sofreu grandes danos e gerou bastante preju zo para a empresa CEMIG l der do cons rcio respons vel pela usina por n o ter instalado esse sistema de monitoramento Ap s o preju zo instalou se o sistema e verificou se que outra turbina do complexo iria sofrer as mesmas coisas Contudo como o problema foi detectado de forma antecipada o reparo necess rio foi feito antes que os preju zos fossem inevit veis VibroSystM Newsletter 2000 amp Metzker et al 1999 Para monitorar o entreferro quatro sensores capacitivos foram instalados com separa o de 90 no plano do estator a montante e mais quatro a jusante Eles s o conectados via cabos triaxiais a oito m dulos
125. s eletricos pdf gt Acesso em 25 Out 2014 Fibre Bragg grating Dispon vel em lt http en wikipedia org wiki Fiber Bragg grating gt Acesso em 25 Out 2014 FILHO A V Energia El trica no Brasil Contexto Atual e Perspectivas Revista Interesse Nacional Dispon vel em lt http interessenacional uol com br index php edicoes revista energia eletrica no brasil contexto atual e perspectivas 2 gt Acesso em 01 jun 2014 Fontes de Energia Dispon vel em lt http www ebah com br content AB AA AfWuOAGy fontes energia gt Acesso em 23 jun 2014 Mackenzie Dispon vel em http meusite mackenzie com br mellojr Turbinas 20Hidr E lulicas CAP CDTULO 203REV ht m Acesso em 13 set 2014 97 Marine Current Turbines Dispon vel em http www marineturbines com 3 news article 377 anglesey tidal energy plan moves forward Acesso em 23 jun 2014 Metzker R J I et al Avoiding major damage on a new hydrogenerator by monitoring air gap at Igarapava H E P P PLC E Learning Session 1 Introduction to PLC amp PLC Wiring Dispon vel em lt https www youtube com watch v ObY wsUhr3Y0 gt Acesso em 15 jun 2014 Tetreault Andr amp Gomes Wellington On line Condition Monitoring Solutions for JIRAU and SANTO ANT NIO Hydroelectric Projects UCL Department of Phonetics and Linguistics Dispon vel em http www phon ucl ac uk courses spsci matlab lect1 0 html Acesso em 28 set 2014 What is SCADA Dispon
126. t outras bastante complexas A maioria dos sistemas SCADA utilizam softwares de interface homem m quina IHM que permitem que os usu rios interajam e controlem m quinas e equipamentos como v lvulas bombas e motores por exemplo Controladores L gicos Program veis CLPs e Unidades Terminais Remotas UTRs s o computadores digitais usados na automa o de processos Esses computadores s o projetados para terem m ltiplas entradas e sa das inputs e outputs e armazenam em sua mem ria programas que descrevem o seu funcionamento Eles precisam responder aos sinais de entrada em tempo real e produzir um sinal de sa da apropriado para que o controle seja feito de forma satisfat ria As entradas e sa das de um CLP UTR podem ser anal gicas ou digitais As digitais s o bin rias ou seja representam um estado da m quina como ligado desligado aberto fechado etc J as anal gicas podem variar de um valor m nimo a outro m ximo e normalmente s o representadas por uma corrente 4 20mA ou por uma voltagem 0 10V Al m das entradas e sa das digitas ou anal gicas uma CLP UTR tamb m possui uma entrada de programa o que por onde o operador envia a l gica de programa o que vai descrever o comportamento da CLP UTR ao receber sinais A Figura 4 2 mostra um CLP da Allen Bradley modelo MicroLogix 1000 com os terminais de entrada e sa da entrada de programa o e entrada de energia identificados Toda a o
127. ter sticas Mar al e Susin 2005 Manuten o Manuten o Baseada Manuten o Preventiva Corretiva na Condi o Estado de opera o da m quina Raz o da Controle programado ou Inspe o programada interfer ncia cont nuo Tarefas a serem executadas na m quina Objetivo da Retorno ao Garantir o funcionamento por um Predizer ou detectar inspe o trabalho tempo falhas 3 MANUTEN O BASEADA NA CONDI O MBC Segundo Mecab 2007 a MBC um programa de manuten o que fornece decis es de manuten o baseadas nas informa es coletadas por meio do monitoramento da condi o A MBC consiste em tr s passos principais aquisi o de dados processamento de dados e tomada de decis o de manuten o como ilustra a Fig 3 1 Tomada de Decis o de Manuten o Aquisi o de Processamento Dados de Dados Figura 3 1 Os tr s passos da MBC Mecab 2007 AQUISI O DE DADOS Para a implementa o de um programa de MBC necess rio que haja uma coleta e armazenamento de dados informa es dos equipamentos a serem monitorados Os dados coletados podem ser categorizados em dois tipos principais dados de eventos e dados de monitoramento da condi o Mecab 2007 Dados de eventos incluem informa es sobre o que aconteceu falha ocorrida e ou o que foi feito medida de manuten o adotada no equipamento monitorado Os dados de monitoramento da condi o s o medidas relaci
128. tiplicadora a Engrenagem Pinh o e Dentes Engrenagens do est gio de a velocidade intermedi ria da Caixa Multiplicadora Anel Interno Rolamento do est gio de velocidade intermedi ria da Caixa Multiplicadora BA Espa ador do anel externo Rolamentos do est gio de velocidade E intermedi ria da Caixa Multiplicadora E 6 Engrenagem Anelar do TEP Sim 7 Anel externo Rolamento da engrenagem planet ria N o MONITORAMENTO DO LEO LUBRIFICANTE Como citado anteriormente os seguintes tipos de monitoramento do leo foram realizados e N vel de limpeza do leo ISO e Monitoramento de part culas no leo e Monitoramento da condi o do leo e An lise Off line de amostra de leo Na an lise de resultado apresentado por Sheng et al 2011 observou se que o monitoramento do n vel de limpeza do leo pode ser usado para controlar e monitorar o leo da caixa multiplicadora em funcionamento O monitoramento de part culas no leo se viu efetivo para determinar o poss vel dano de um componente do conjunto mas a determina o espec fica da localiza o n o pode ser determinada Al m disso os resultados dos sensores n o foram iguais para diferentes locais de instala o O monitoramento da condi o do leo realizado por meio de indicadores da umidade do leo n mero total de part culas ferrosas no leo e qualidade do leo mostrou se inconclusivo quando analisado separadamente Mas segundo Sheng
129. tiplos canais projetada para monitorar e proteger m quinas rotativas de grande porte como turbo geradores geradores hidrel tricos e outras Vibronet SignalMaster Manual 2014 O SignalMaster executa v rios tipos de medi es processa os dados verifica condi es de alarme e transmite informa es para o software OMNITREND para r pida interpreta o das condi es da m quina VIBRONET SignalMaster ha PRUFTECHNIK Figura 6 18 Vibronet SignalMaster Pruftechnik 2014 O pacote padr o do Vibronet SignalMaster composto por at 54 canais de medi o distribu dos em at 6 multiplexadores de campo que comportam cada um at 9 transdutores Os transdutores de temperatura rota o e qualquer outro que tenha sinal de corrente ou voltagem precisam de m dulos adicionais para poderem se conectar com os multiplexadores Os de temperatura precisam do m dulo VIB 8 310 os de rota o precisam do m dulo VIB 8 313 e os de corrente ou voltagem do m dulo VIB 8 312 Os aceler metros podem ser ligados diretamente ao multiplexador n o necessitando de um m dulo adicional A Figura 6 19 mostra como s o os m dulos citados acima e como feita a sua conex o ao multiplexador A Figura 6 20 mostra o SignalMaster os multiplexadores e os sensores conectados 87 importante ressaltar que o SignalMaster e o software OMNITREND n o s o um sistema SCADA ou seja n o s o um sistema de controle Ao inv s disso eles
130. tir da correnteza desse rio Para o seu funcionamento n o h necessidade da constru o de barragens ou de condutos for ados e por precisarem de uma instala o relativamente simples essa pode ser uma tima alternativa para a gera o de energia el trica em regi es afastadas dos grandes centros ou para aproveitar a energia residual da gua liberada a jusante de uma usina hidrel trica Projetos que v m testando a viabilidade e a efic cia das turbinas hidrocin ticas est o sendo realizados dentro e fora do Brasil Os registros encontrados no meio acad mico nos apontam que os estudos dessa tecnologia se iniciaram ainda em 1985 em um prot tipo de turbina de eixo horizontal desenvolvido no Instituto Nacional de Pesquisa da Amaz nia INPA Tiago 2003 Ao longo dos anos alguns projetos foram desenvolvidos por m o mais atual e que vem chamando mais aten o o Projeto Tucunar que est sendo desenvolvido na Universidade de Bras lia Prot tipos j foram constru dos e testados em projetos anteriores ao Projeto Tucunar como pode ser visto na Fig 1 3 O Projeto Tucunar uma parceria entre a UnB dentre outras universidades e a Eletronorte que visa introduzir as turbinas hidrocin ticas no Brasil com o objetivo de desenvolver tecnologia inovadora associada ao aproveitamento da energia hidrocin tica de corrente O objetivo projetar uma turbina hidrocin tica que possa ser instalada em diversos ambientes onde haja
131. tora o para componentes da Turbina E lica Adaptada e traduzida de Wisznia 2013 araa E li LO ssR ALICIA AL Loss donas DOAR SL LER ALICIA REC saci ralado 54 Tabela 5 4 Indica o do posicionamento dos sensores Traduzido de Sheng et al 2011 57 Tabela 5 5 Resultado de falhas identificadas na monitora o realizada por meio da an lise vibracional Sheng etal 2011 reier tnei inai erii i a D Rad nad a EE ha 61 Tabela 6 1 Caracter sticas preliminares do rotor da turbina Projeto Tucunar 2014 70 Tabela 6 2 Caracter sticas do selo HJ477G EX da EagleBurgmann Fonseca e Ara jo 2013 71 Tabela 6 3 Especifica es do mancal bipartido Fonseca e Ara jo 2013 lin 12 Tabela 6 4 Especifica es do acoplamento Fonseca e Ara jo 2013 13 Tabela 6 5 Especifica es do freio hidr ulico Fonseca e Ara jo 2013 ii 14 Tabela 6 6 Especifica es do gerador Fonseca e Ara jo 2013 15 Tabela 6 7 Frequ ncia de rota o associada a poss veis falhas da caixa multiplicadora da turbina hidrOCIn liCa sseaisisieriniitalonsssbiecr io Sadacisd EA AEE E E St asa clean Dis Sadico A 19 Tabela 6 8 Aceler metros utilizados no conjunto de monitora o da caixa multiplicadora 80 Tabela 6 9 Lista de equipamentos e principais caracter sticas inserir o sensor de monitora o da corrente e VOlAD EM morni
132. um m dulo 8 310 da Pruftechnik para fazer a convers o do sinal A an lise de vibra o e o monitoramento da temperatura dos mancais permitir o a identifica o de alguns defeitos como por exemplo desbalanceamento do rotor desalinhamento angular do eixo desalinhamento de engrenagens defeitos no rolamento problemas nos rotores das p s lubrifica o defeituosa e problemas em acoplamentos Adyles 2004 Dito isto os sensores necess rios para a monitora o do mancal ser o e 3 aceler metros VIB 6 195 e 2 sensores de proximidade PCS 302 e 1 sensor de temperatura VIB 6 610 Midi ddiio fiiia i Figura 6 11 Aceler metro VIB 6 195 e Sensor de Temperatura VIB 6 610 Pruftechnik 2014 e Sensor de Proximidade PCS 302 Manual VibroSystM 2014 78 6 2 3 CAIXA MULTIPLICADORA Como evidenciado na Tab 5 2 a caixa multiplicadora o componente da turbina e lica que apresenta o maior per odo de inatividade ap s a ocorr ncia de uma falha consequentemente sendo o componente que possui o maior custo em opera es de manuten o Por esse motivo definiu se que sua monitora o essencial para o sistema de monitoramento da turbina hidrocin tica Z O aceler metro o sensor utilizado para realizar a monitora o de diversas falhas da caixa multiplicadora Utilizado para medir as vibra es dos eixos rolamentos e engrenagens este sensor pode identificar falhas como desalinhamentos desbalanceamentos fal
133. urbinas e licas e hidr ulicas na tentativa de adapt los s turbinas hidrocin ticas visto a grande semelhan a entre os princ pios de funcionamento e os componentes Foram definidas as grandezas que devem ser medidas e suas respectivas posi es de medi o ao mesmo tempo que foi especificada a instrumenta o de trabalho e suas exig ncias Nesse projeto tamb m houve uma preocupa o em utilizar um or amento reduzido e ter baixas exig ncias de manuten o ABSTRACT In this work is proposed a monitoring system for the generator set of the hydrokinetic turbine HTUC 01 that has been developed by the Project Tucunar team a partnership between the University of Brasilia UnB Eletronorte and other universities The monitoring system seeks to allow assessments of performance of the generator set on load playing a role in a predictive maintenance program also known as condition based maintenance CBM Since the literature about monitoring systems of hydrokinetic turbines is limited systems applied in wind and hydraulic turbines were studied and an attempt was made to adapt it for the hydrokinetic turbines for the similarity between the operating principles and components of both are huge The quantities that need to be measured were defined along with the positions in the system it had to be done what equipment will be used to do that and the specifications of the equipment used This project was also concerned about being a low bu
134. velado um m todo eficiente para determinar de forma precisa a posi o da falha monitorada Apesar de apresentar resultados promissores na detec o de falhas em testes realizados Papasalouros et al 2012 Tchakoua et al 2014 e Xiang Gong 2012 frisam que desvantagens como o alto custo poucos tipos de falhas estarem em alta frequ ncia e a atenua o do sinal durante a sua propaga o fazem com que a implanta o de sensores de emiss o ac stica necessite de um desenvolvimento maior antes que sejam largamente utilizados e Vibra o Como j mencionado a an lise vibracional a tecnologia mais aplicada para a monitora o da condi o de componentes na turbina e lica Segundo Raisutis et al 2008 apesar de detectar a apari o e o crescimento de trincas este m todo n o muito utilizado em p s de turbinas e licas O motivo que o custo desse sistema alto e de dif cil instala o j que os sensores seriam instalados nas p s que est o em rota o constante Apesar de n o ser t o utilizada para a monitora o de rotores Caselitz e Giebhardt 2005 conseguiram por meio de uma diferente configura o identificar falhas devido ao desbalanceamento da massa do rotor com o aux lio de dois aceler metros instalados na nacele de uma turbina e lica de 600 kW Os aceler metros foram instalados um na frente do eixo vertical da torre de sustenta o pr ximo ao rotor e o outro foi instalado na parte traseira do eix
135. vido a prov veis defeitos Essa a fase mais importante do processo porque o planejamento do monitoramento ser feito com base nessas informa es N o necess rio que se fa a a an lise espectral todas as vezes que se medir o sinal no procedimento de inspe o peri dica A an lise espectral deve ser feita de forma rigorosa na fase inicial do processo para auxiliar nos ajustes iniciais necess rios at que se entre na faixa de funcionamento normal da m quina Depois disso ela uma ferramenta para ser usada sempre que se tenha a indica o de algum problema seja por meio da varia o abrupta da severidade de vibra o ou porque os n veis de alerta foram atingidos A Figura 3 11 exemplifica a varia o do espectro de vibra o medido em um redutor de engrenagens nas seguintes situa es redutor em funcionamento normal redutor com o eixo de sa da desalinhado redutor sem lubrificante e redutor com danos pontuais Os padr es de vibra o mostrados s o t picos de cada defeito e isso que permite a identifica o de componentes defeituosos pela an lise do espectro de vibra o Um procedimento adequado de monitoramento de m quinas por an lise de vibra es envolve as seguintes fases FASEI Enquadramento da m quina em uma das classes recomendadas por norma definindo se os n veis limite superiores de severidade correspondentes s condi es boa A aceit vel B alarme C e n o permiss ve
136. volvido pela NREL National Renewable Energy Laboratory que trata sobre a an lise vibracional e sobre a an lise de leo lubrificante da caixa multiplicadora entre outras coisas que n o fazem parte do escopo do trabalho aqui apresentado Neste trabalho do NREL foi avaliado como a assinatura vibracional e a condi o do leo lubrificante eram alteradas com a degrada o da sa de de duas caixas multiplicadoras Essas caixas multiplicadoras foram testadas tanto em uma bancada de testes como em um parque e lico a saber o parque e lico de Ponnequin EUA O diagrama da bancada de testes do NREL apresentado na Fig 5 8 mostra todo o sistema de monitora o empregado para realizar a coleta de dados do conjunto eletromec nico Neste apanhado geral do sistema a transmiss o da for a el trica for a mec nica e sinais de controle s o indicados pelas linhas de cores vermelha azul e verde respectivamente Para a an lise da assinatura vibracional sensores foram dispostos ao longo do conjunto eletromec nico para a capta o de sinais Ao todo 12 sensores foram instalados mas segundo Sheng et al 2011 uma configura o t pica de monitora o de turbina e lica consiste na utiliza o de apenas 8 aceler metros que podem ser dispostos da seguinte maneira dois aceler metros no rolamento principal dire o axial e dire o radial quatro aceler metros na caixa multiplicadora um para as engrenagens planet rias na dire

sistemas de monitoração de turbinas hidrocinéticas

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